PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
Diogo Tubertini Maciel
ESTUDO DOS PROCESSOS DE ROSCAMENTO POR
LAMINAÇÃO E USINAGEM NA LIGA DE TITÂNIO
TI-6AL-4V
São João del-Rei, 2013
Diogo Tubertini Maciel
ESTUDO DOS PROCESSOS DE ROSCAMENTO POR
LAMINAÇÃO E USINAGEM NA LIGA DE TITÂNIO
TI-6AL-4V
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da
Universidade Federal de São João del-Rei como
requisito para a obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Materiais e Processos de
Fabricação
Orientador: Prof. Dr. Lincoln Cardoso Brandão
São João del-Rei, 2013
Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca da UFSJ
M152e
Maciel, Diogo Tubertini
Estudo dos processos de roscamento por laminação e usinagem na liga de titânio Ti-6AI4V[manuscrito] / Diogo Tubertini Maciel . – 2013.
82f. ; il.
Orientador: Lincoln Cardoso Brandão
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de
Engenharia
Mecânica.
Referências: f. 83-89.
1. Ligas de titânio - Teses. 2. Roscas – engenharia mecânica - Teses. 3. Titânio – ligas Teses. I. Brandão, Lincoln Cardoso (orientador) II. Universidade Federal de São João Del- Rei.
Departamento de Engenharia Mecânica. III. Título
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
ESTUDO DOS PROCESSOS DE ROSCAMENTO POR
LAMINAÇÃO E USINAGEM NA LIGA DE TITÂNIO
TI-6AL-4V
São João del-Rei, 18 de março de 2013
Dedico este trabalho aos meus pais, Jorge e Celeida, à minha esposa Eliza e à minha família.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, primeiramente, pois a ele todo poder e toda glória, por estar sempre
presente em minha vida e pela capacidade de sempre buscar novos conhecimentos.
Aos meus eternos professores, Jorge Alberto Maciel e Jorge Maciel, por todo
conhecimento transmitido ao professor.
À minha mãe, Celeida. Sem você, isto não seria possível.
Ao professor Dr. Lincoln Cardoso Brandão, pela oportunidade e paciência e todo
conhecimento adquirido. Serei sempre grato a você.
Aos professores e amigos da UFSJ, por todo ensinamento e aprendizado ao longo destes
anos. Em especial, ao Camilo, Monica, Alessandra e professor Dr. Frederico.
À minha amada esposa Eliza, pela paciência, carinho, incentivo, apoio e compreensão
em todos os momentos deste trabalho.
Ao meu irmão Rodrigo, pelo apoio e incentivo ao longo deste percurso. O meu muito
obrigado!
A todos os meus familiares, que contribuíram de alguma forma para a realização deste
trabalho.
Ao amigo Sergio, pelo apoio, ajuda e ensinamentos. Muito obrigado! Sem você, este
trabalho não seria o mesmo.
Agradeço muito aos meus colegas de Mestrado. Foi muito bom este caminho e
crescimento junto com todos vocês, em especial aos amigos Caíque, Sandro Silva, Everaldo,
Everton, Vinícius, Rodrigo Borba, Alessandro e Bonato.
A Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais – FAPEMIG pelo apoio financeiro
no projeto de pesquisa APQ-04467-10.
Enfim, agradeço a todos que, de alguma forma, contribuíram direta ou indiretamente
para a realização deste sonho.
Resumo
MACIEL, D.T. Estudo dos processos de roscamento por laminação e usinagem de rosca
na liga de Titânio Ti-6Al-4V. 2013. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de São
João del-Rei, São João del-Rei, 2013.
Este estudo identifica os processos de roscamento externo, usinagem e laminação, suas
variáveis de influência, melhor método de fabricação, limitações de processo, análise de
dureza e perfil de rosca. O foco se deu na laminação de roscas, na liga Titânio Ti-6Al-4V, por
meio de sistema de cabeçote axial três rolos acoplado diretamente à máquina. A liga
selecionada tem grande utilização na área médica, odontológica e aeroespacial. O estudo foi
executado por meio de ensaio experimental em corpo de prova com rosca métrica M12 x
1,5mm e utilizada a ANOVA para comparação dos resultados. O estudo mostrou que, para
uma boa formação da rosca, são necessárias velocidades específicas de deformação que
garantam a inércia de deformação devido ao alto índice de reposição elástica demonstrado
pelo processo de laminação e usinagem. O comportamento dos veios de fabricação do
material se comportou como previsto e pode ser demonstrado por meio de ensaio de dureza e
micrografia, onde ocorreu adensamento dos veios à base da crista.
Palavras-Chave: Roscamento por Conformação, Laminação de Rosca, Liga Ti-6Al-4V,
Rosca em Titânio.
Abstract
MACIEL, D.T. Study of the tapping processes by forming and machining in the Titanium
Ti-6Al-4V alloy. 2013. M.Sc. Thesis (Thesis) – Federal University of São João del-Rei, São
João del-Rei, 2013.
The tapping of titanium alloys is a subject of great interest to researchers/scientists in
academia and industry, especially in the aerospace and biomechanics sector. Nowadays,
almost all industrial products have threaded parts. Threads are manufactured to join
mechanical components, facilitating assembly and disassembly. In some cases, threads are
responsible for transmitting movement with accuracy and efficiency. This study examined
external tapping processes by machining and forming, their variables of influence, the best
methods for the manufacturing processes, the gaps of the processes, and it compared the
hardness of the thread profiles. The main focus was the forming of Ti-6Al-4V titanium alloy
threads using an axial head with 3 rollers mounted directly on the machine tool. The use of
the selected alloy is widespread in the medical, dental and aerospace industries. The study
was carried out using work pieces with metric thread M12x1,5 mm and employed analysis of
variance to compare results. The study showed that for a good forming of the thread specific
velocities are needed, guaranteeing the inertia of deformation. This occurred due to the high
elastic recovery rate that was observed in the forming and machining processes. The behavior
of the grains of the material was proven to be differentiated being verified in the tests of
hardness and micrograph that occurred the hardening of grains in the base of the thread.
Key-words: Forming tapping, Threads, Ti-6Al-4V Titanium alloy, Hardening.
Lista de Figuras
Figura 2-1- Esquema representativo da alotropia do titânio. .............................................. 7
Figura 2-2 - Diagrama de fase do titânio e do oxigênio. ........................................................ 9
Figura 2-3 - Diagrama de fases do titânio. ........................................................................... 11
Figura 2-4 - Composição das ligas de titânio. ...................................................................... 12
Figura 2-5 - Diagrama de fases parcial da liga Ti-6Al-4V. ................................................. 15
Figura 2-6 - Interação entre o titânio e os fluidos corporais. ............................................. 17
Figura 2-7 - Formação da camada de dióxido de titânio e hidroxiapatita sobre
biomaterial à base de titânio. ................................................................................................. 18
Figura 2-8 - Movimentos relativos entre a peça e ferramenta. .......................................... 19
Figura 2-9 - Torneamento de superfícies cilíndricas externas e internas. ......................... 20
Figura 2-10 - Torneamento de superfícies cônicas externas e internas. ............................ 20
Figura 2-11 - Roscar superfícies externas e internas........................................................... 20
Figura 2-12 - Perfilar superfícies. ......................................................................................... 20
Figura 2-13 - Sistema de fresamento..................................................................................... 21
Figura 2-14 - Exemplo de rosca externa. .............................................................................. 22
Figura 2-15 - Porca e Parafuso. ............................................................................................. 23
Figura 2-16 - Tipos de filetes e aplicação. ............................................................................. 23
Figura 2-17 - Dimensões básicas da rosca ISO. ................................................................... 24
Figura 2-18 - Demonstrativo de jogo de macho manual. .................................................... 25
Figura 2-19 - Demonstração de filetes do jogo de macho três peças. ................................. 25
Figura 2-20 - Tipos de macho máquina. ............................................................................... 26
Figura 2-21 - Detalhe do processo de fresamento de roscas: (a) Fresamento com aresta
monocortante, (b) Fresamento com arestas multicortante e (c) Fresamento com
ferramenta circular helicoidal. .............................................................................................. 27
Figura 2-22 - Processo de roscamento externo. ................................................................... 27
Figura 2-23 - Cossinete ou tarraxa com sistema fechado.................................................... 28
Figura 2-24 - Cossinete ou tarraxa com sistema de regulagem da folga; ou seja, aberto.
.................................................................................................................................................. 28
Figura 2-25 - Porta-cossinete ou desandador. ...................................................................... 29
Figura 2-26 - Cossinete manual bipartido. ........................................................................... 29
Figura 2-27 - Cabeçote de pentes expansível. ...................................................................... 30
Figura 2-28 - Mudanças na microestrutura causadas pela laminação. ............................ 31
Figura 2-29 - Exemplos de Machos Laminadores. .............................................................. 31
Figura 2-30 - Tipos de sistemas de laminação de rosca em máquinas operatrizes. ......... 33
Figura 2-31 - Laminação de roscas com encosto plano. ..................................................... 34
Figura 2-32 - Máquina laminadora de rosca. ...................................................................... 35
Figura 2-33 - Laminação de roscas com um cilindro de roscamento e um segmento de
apoio. ....................................................................................................................................... 35
Figura 3-1 - Microestrutura da liga Ti-6Al-4V (MEV com ampliação de 250x).............. 38
Figura 3-2 - Torno CNC sinitron BNC 2260X. ................................................................... 39
Figura 3-3 - Suporte e inserto intercambiável fixado na torre da máquina. .................... 39
Figura 3-4 - Cabeçote Laminador Fette modelo F2. ........................................................... 40
Figura 3-5 - Micrômetro Externo Digimess com intervalo de medição de 0-25mm. ....... 40
Figura 3-6 - Sistema de medição ótico. ................................................................................. 40
Figura 3-7 - Microscópio eletrônico de varredura HITACHI modelo TM3000. ............. 41
Figura 3-8 - Microscópio ótico Olympus.............................................................................. 41
Figura 3-9 - Microdurômetro................................................................................................ 42
Figura 3-10 - Demonstrativo de corpo de prova. ................................................................ 42
Figura 3-11 - Comando Fanuc 0i. ......................................................................................... 43
Figura 3-12 - Detalhe do processo de roscamento por usinagem. ..................................... 44
Figura 3-13 - Sistema de laminação de rosca axial. ............................................................ 45
Figura 3-14 - Detalhe da medição da altura do filete.......................................................... 46
Figura 3-15 - Esquema da medição no início, meio e fim das roscas. ............................... 47
Figura 3-16 - Modelo Geral de um processo ou sistema. .................................................... 48
Figura 3-17 - Espaço 3-Dimensional do Planejamento Experimental. Alguns DOE são
muito bem estruturados, enquanto outros são apenas uma nuvem de pontos. A escolha
do método estatístico depende do número de amostras e do tipo de investigação. .......... 53
Figura 3-18 - Posição de medição da microdureza. ............................................................ 55
Figura 4-1 - Resíduos para a média do diâmetro interno do perfil de rosca conformado:
(A) Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados. ........................................................................................ 58
Figura 4-2 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para o diâmetro do perfil de
rosca conformado. .................................................................................................................. 59
Figura 4-3 - Interação para a variável resposta diâmetro do perfil da rosca conformado.
.................................................................................................................................................. 61
Figura 4-4 - Resíduos para a média do diâmetro do perfil de rosca conformado: (A)
Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados. ........................................................................................ 63
Figura 4-5 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para o diâmetro do perfil de
rosca conformado. .................................................................................................................. 64
Figura 4-6 - Efeito principal do fator velocidade de deformação ...................................... 64
Figura 4-7 - Efeito principal do fator posição de medição .................................................. 65
Figura 4-8 - Efeito principal do fator diâmetro sobre altura do filete H. ......................... 66
Figura 4-9 - Resíduos para a média do diâmetro externo do perfil de rosca usinada: (A)
Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados. ........................................................................................ 68
Figura 4-10 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para validação do modelo da
análise de variância – diâmetro externo do perfil usinado. ................................................ 68
Figura 4-11 - Efeito principal do fator velocidade de usinagem sobre o diâmetro externo
do perfil de rosca usinado. ..................................................................................................... 69
Figura 4-12 - Gráfico de efeito principal do fator experimental posição de medição. ..... 69
Figura 4-13 - Resíduos para a média da altura do filete H rosca usinada: (A)
Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados. ........................................................................................ 71
Figura 4-14 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para validação do modelo da
análise de variância – altura do filete H rosca usinada. ...................................................... 71
Figura 4-15 - Efeitos principais da velocidade de corte sobre a média ............................. 72
Figura 4-16 - Resíduos para a média do diâmetro do perfil de rosca conformado: (A)
Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados. ........................................................................................ 73
Figura 4-17 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para validação do modelo da
análise de variância – microindentação rosca conformada. ............................................... 74
Figura 4-18 - Interação velocidade de deformação x diâmetro inicial para a média da
microindentação. .................................................................................................................... 75
Figura 4-19 - Interação velocidade de deformação x posição de medição para a média
das microindentações. ............................................................................................................ 76
Figura 4-20 - Resíduos para a média do diâmetro do perfil de rosca conformado: (A)
Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados. ........................................................................................ 77
Figura 4-21 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para validação do modelo da
análise de variância – microindentação rosca usinada. ...................................................... 78
Figura 4-22 - Efeito principal da posição de medição sobre a média das microdurezas. 79
Figura 4-23 - Fotografia de microscópio ótico amostra conformada. ............................... 80
Figura 4-24 - Fotografia de microscópio ótico amostra usinada. ...................................... 80
Lista de Tabelas
Tabela 2-1 - Propriedades físicas e químicas do titânio. ....................................................... 7
Tabela 2-2 - Teores da composição do Ti pela norma ASTM F67. .................................... 10
Tabela 2-3 - Classificação ASTM do titânio e suas ligas. .................................................... 14
Tabela 2-4 - Composição química da liga Ti-6Al-4V. ......................................................... 16
Tabela 3-1 - Dimensões básicas para rosca M12. ................................................................ 37
Tabela 3-2 - Composição química da Liga Ti-6Al-4V utilizada nos experimentos. ......... 38
Tabela 3-3 - Parâmetros experimentais do processo de roscamento por usinagem. ........ 44
Tabela 3-4 - Dimensões para laminação de rosca M12. ...................................................... 45
Tabela 3-5 - Parâmetros experimentais do processo de roscamento por conformação. .. 46
Tabela 3-6 - Arranjo experimental do planejamento fatorial completo 3³ para o processo
de roscamento por conformação. .......................................................................................... 51
Tabela 3-7 - Arranjo experimental do planejamento fatorial completo 3² para o processo
de roscamento por usinagem. ................................................................................................ 52
Tabela 3-8 - Parâmetros para microindentação. ................................................................. 54
Tabela 3-9 - Parâmetros para microindentação para o processo de roscamento por
usinagem. ................................................................................................................................. 55
Tabela 4-1 - Dados de medição rosca conformada. ............................................................. 57
Tabela 4-2 - Análise de variância para o diâmetro do perfil de rosca conformado. ........ 60
Tabela 4-3 - Análise de variância para a altura do filete H. ............................................... 62
Tabela 4-4 - Dados de medição rosca usinada. .................................................................... 66
Tabela 4-5 - Análise de variância para o diâmetro externo do perfil de rosca usinado. .. 67
Tabela 4-6 - Análise de variância para a altura do filete H. ............................................... 70
Tabela 4-7 - Análise de variância para a média das microindentações. ............................ 73
Tabela 4-8 - Análise de variância para a média das microindentações. ............................ 77
Lista de Abreviaturas e Siglas
ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas
Adm = Adimensional
AISI = American Iron and Steel Institute (Instituto Americano de Ferro e Aço)
ANOVA = Análise de Variância
ap = Profundidade de usinagem da ferramenta
[mm]
d1 = Diâmetro interno da rosca
[mm]
d2 = Diâmetro da haste de fixação
[mm]
DOE = Design of Experiment (Delineamento de Experimento)
HB = Dureza Rockell na escala B
ISO = International Organization for Standardization (Organização Internacional para
Padronização)
MEV = Microscópio Eletrônico de Varredura
P-valor = Probabilidade que a amostra pode ser retirada de uma população
Sumário
CAPÍTULO 1 .................................................................................................................... 1
1
INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 1
CAPÍTULO 2 .................................................................................................................... 5
2
REVISÃO DA LITERATURA ................................................................................ 5
2.1 Titânio ...................................................................................................................... 5
2.1.1 Histórico ........................................................................................................ 5
2.1.2 Microestrutura ............................................................................................... 6
2.1.3 Titânio comercialmente puro ........................................................................ 9
2.1.4 Ligas de titânio ............................................................................................ 10
2.1.5 Ti-6Al-4V .................................................................................................... 15
2.1.6 Propriedades e aplicações do titânio e suas ligas ........................................ 17
2.2 Fabricação mecânica .............................................................................................. 18
2.2.1 Torneamento................................................................................................ 19
2.2.2 Fresamento .................................................................................................. 20
2.3 Processos de roscamento ........................................................................................ 21
2.3.1 Roscas.......................................................................................................... 22
2.3.2 Nomenclatura e dimensionamento de roscas .............................................. 24
2.3.3 Usinagem de roscas ..................................................................................... 25
2.3.4 Laminação de roscas ................................................................................... 30
CAPÍTULO 3 .................................................................................................................. 37
3
MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 37
3.1 A rosca.................................................................................................................... 37
3.2 O Material .............................................................................................................. 38
3.3 Máquinas e Equipamentos ..................................................................................... 38
3.4 Corpo de Prova ....................................................................................................... 42
3.5 Descritivo ............................................................................................................... 43
3.6 Experimento ........................................................................................................... 47
CAPÍTULO 4 .................................................................................................................. 57
4
RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................... 57
4.1 Roscamento por conformação ................................................................................ 57
4.1.1 Diâmetro do Perfil de rosca conformada..................................................... 58
4.1.2 Diferença de altura do filete de rosca (H) ................................................... 62
4.2 Roscamento por usinagem ..................................................................................... 66
4.2.1 Diâmetro externo do Perfil de rosca usinado .............................................. 66
4.2.2 Altura do filete H ........................................................................................ 70
4.3 Microindentação no roscamento por conformação................................................ 72
4.4 Microindentação no roscamento por usinagem ..................................................... 76
4.5 Análise da microestrutura ...................................................................................... 79
CAPÍTULO 5 ................................................................................................................. 81
5
CONCLUSÕES ..................................................................................................... 81
REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 83
1
CAPÍTULO 1
1
INTRODUÇÃO
O roscamento das ligas de titânio é um tópico de grande interesse de
pesquisadores/cientistas dos setores acadêmico e industrial, principalmente aqueles das áreas
aeroespacial e biomecânica. Hoje, dificilmente, existe produto industrial que não tenha uma
parte roscada. As roscas, em sua maioria, são fabricadas para unir componentes mecânicos,
facilitando montagens e desmontagens. Em alguns casos, apresentam-se como responsáveis
pela transmissão de movimentos com precisão e potência.
O titânio e suas ligas são materiais não-ferrosos aplicados com frequência na produção
de componentes de turbinas, tais como: eixos, discos e palhetas, e na fuselagem de aviões
devido ao baixo peso, à elevada resistência mecânica e à excelente resistência à corrosão. As
ligas de titânio são ainda utilizadas em ambientes onde as temperaturas podem variar de 600
ºC a abaixo de 0 ºC. Todas as ligas de materiais metálicos não-ferrosos têm enorme potencial
para a produção de roscas usinadas e conformadas. Por isso, a elevada ductibilidade dessas
ligas proporciona a produção de roscas conformadas com a mesma qualidade das roscas
usinadas.
A Ti-6Al-4V é a liga mais comum na indústria aeroespacial, em especial a aeronáutica,
sendo também utilizada nas indústrias naval, petroquímica e química e na biomedicina. Em
estruturas de fuselagem de avião, as ligas de titânio operam em temperaturas acima de 130 ºC,
valor máximo para trabalhos das ligas de alumínio. Entretanto, outras características inerentes
a ligas de titânio, tais como: tendência de reagir quimicamente com a maioria dos materiais de
ferramentas de corte a temperaturas superiores a 500 ºC, formação de cavacos segmentados,
grande tendência de encruamento durante a usinagem, baixo módulo de elasticidade e baixa
condutividade térmica (37 e 86% menor que a condutividade térmica da liga de níquel Inconel
718 e aço AISI 1045, respectivamente), as caracterizam como sendo materiais de difícil corte
ou de baixa usinabilidade (SILVA et al., 2004). A reduzida área de contato cavacoferramenta, o desenvolvimento de elevadas temperaturas de corte, as elevadas tensões na
ponta da ferramenta e as elevadas forças durante a usinagem das ligas de titânio promovem a
deformação plástica e/ou aceleram o desgaste da ferramenta. Diante desse cenário, as
velocidades de corte têm que ser reduzidas. Em alguns casos, as ferramentas de corte
2
apresentam lascamento e/ou fratura súbita devido à tendência do titânio em soldar-se à ponta
da ferramenta (EZUGWU; WANG, 1997).
Devido à complexidade dos setores produtivos e considerando o número de estações de
trabalho no chão de fábrica ou de processos específicos dentro de cada estação, a inserção de
pequenas modificações em linhas de fabricação pode significar um aumento substancial de
produção que influenciará de forma satisfatória a operacionalização dos custos
(CARVALHO, 2011).
Dentre as operações de roscamento das indústrias metal-mecânicas, pode-se distinguir
duas grandes classes de trabalho com os metais: os processos de usinagem e os processos de
conformação. As operações de usinagem conferem à peça a forma, ou dimensão, ou
acabamento, com a remoção de cavaco, enquanto nos processos de conformação há a
constância do material que passa por alterações em sua forma mediante a deformação plástica.
Esse é um processo ainda pouco usado nas empresas que fabricam componentes roscados e
executam essa operação na própria máquina operatriz. A laminação de roscas tem grande
vantagem sobre processos similares devido ao fato de não produzir cavacos e, por isso, não
necessitar de processos de reciclagem específicos. Entretanto, manuais específicos e conceitos
técnicos com informações precisas sobre esse processo ainda são grandes lacunas para sua
efetiva aplicação em todos os materiais utilizados em produtos manufaturados (CARVALHO,
2011).
Durante o processo de roscamento, ocorrem dois fenômenos simultâneos: uma parte do
material, interna ao filete de rosca, tenta retornar à sua condição inicial devido ao regime
elástico durante a deformação; e outra parcela do material, mais externa, encrua, gerando um
aumento da força de deformação durante o trabalho. Considerando que o material usinado é
um material plástico perfeito, pode haver alguma deformação elástica envolvida no processo.
A temperatura obtida na zona de fluxo e a alta taxa de tensão podem afetar o
comportamento do material durante o corte devido aos elevados valores das taxas de tensão
durante a usinagem, não existindo nenhum modo de testar um material sob tais condições,
pois o comportamento fundamental do material é desconhecido. Entretanto, para a maioria
dos materiais maleáveis durante o corte, pode se considerar uma deformação elástica, que
sugere um contato da superfície usinada com a face lateral da ferramenta. Isso significa que a
ferramenta precisa penetrar em uma profundidade específica dentro do material antes de
começar a cortá-lo, ou seja, existe uma profundidade mínima que dependerá de muitos
fatores, mas, principalmente, das propriedades do material. Para valores menores do que esse
3
mínimo, o material não cortará; será apenas deformado elasticamente (DA SILVA; SOUZA;
DA SILVA, 2011).
Desse modo, considerando todas as peculiaridades e dificuldades encontradas no
roscamento de titânio, a conformação e a usinagem das ligas de titânio, em especial a liga Ti6Al-4V, devem possuir propriedades adicionais que venham satisfazer aos requisitos de
resistência a elevadas temperaturas de corte, elevadas tensões e baixa tendência de reagir
quimicamente com baixa taxa de desgaste aos cabeçotes laminadores. A escolha correta da
atmosfera de usinagem, bem como as condições de laminação e usinagem compatíveis com a
operação em questão são fatores que devem ser levados em conta.
4
5
CAPÍTULO 2
2
REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Titânio
2.1.1 Histórico
O titânio puro é o quarto metal estrutural mais abundante na litosfera, sendo
encontrando em todas as rochas cristalinas. É considerado um importante elemento de liga em
aços. No entanto, seu custo de extração é elevado devido à sua alta reatividade (NOORT,
1987). De acordo com Froes, Eylon e Bomberger (1985), a energia necessária para a obtenção
de titânio puro é 16 vezes maior que a utilizada para a produção da mesma massa de aço e 1,7
vezes para a de alumínio, já que o titânio puro é um metal branco, brilhante e apresenta baixa
densidade e boa ductilidade em estado sólido.
O elemento titânio foi descoberto em 1791 pelo reverendo inglês William Gregor
quando investigava a areia magnética (“menachanite”) existente em Menachan, na Cornualha,
a qual denominou de “menachin”. Vários anos depois, o químico alemão M. H. Klaploth
redescobriu o elemento, que supunha ser uma terra nova, no rutilo. Nomeou-o do latim Titans:
o primeiro filho da terra e da mitologia grega, filho mitológico do Céu (Uranus) e da Terra
(Gaia), personificações das forças da natureza.
O metal na forma pura só foi produzido em 1910 por Matthew A. Hunter, aquecendo
TiCl4 com sódio à temperatura de 700-800 ºC em ambiente com gás argônio. O TiO2 obtido
pela reação do tetlacloreto de titânio (TiCl4) com água forma uma enorme quantidade de
fumaça branca (BARSKDALE, 1997). Por isso, durante a Primeira Guerra Mundial, o
dióxido de titânio (TiO2) foi utilizado como técnica de camuflagem e ficou conhecido como
cortina de fumaça.
As principais fontes minerais de titânio são a ilmenita (titanato de ferro), contendo de 50
a 70% de TiO2; os concentrados de leucoxeno (até 78% de TiO2); e o rutilo, que contém até
98% de TiO2 (FROES et al., 1985). As maiores reservas do mineral rutilo, uma das fontes
mais viáveis para a obtenção de titânio, estão localizadas na costa leste da Austrália e em
Serra Leoa.
6
2.1.2
Microestrutura
O arranjo estrutural dos átomos está diretamente relacionado com as propriedades dos
materiais. Alguns exemplos de arranjos podem ser citados: estruturas cristalinas, amorfas e
moleculares. A estrutura molecular é constituída de moléculas que podem ser definidas como
sendo um número limitado de átomos fortemente ligados entre si, mas de forma que as forças
de atração entre um molécula e as demais sejam relativamente fracas. Esses agrupamentos
atômicos, que são eletricamente neutros, agem como se fossem uma unidade, pois as atrações
intramoleculares (geralmente ligações covalentes) são fortes, enquanto as intermoleculares
são originadas por forças de Van der Waals (ligações fracas) (MAHAN, 1986).
Muitos dos materiais de interesse estrutural em engenharia apresentam uma estrutura
cristalina. Os metais, grande parte dos cerâmicos e certos polímeros cristalizam-se quando se
solidificam. Já uma substância pode ser considerada cristalina quando os átomos que a
constituem estão dispostos segundo um rede tridimensional bem definida e que se repete de
forma tridimensional por uma grande distância. São sete os sistemas cristalinos que incluem
todos as possíveis geometrias de divisão do espaço por superfícies planas contínuas. Destes,
os de maior importância para os metais são o cúbico e o hexagonal.
Os átomos podem ser agrupados dentro do sistema cúbico em três tipos de retículo:
cúbico simples (CS), cúbico de corpo centrado (CCC) e cúbico de faces centradas (CFC). No
sistema hexagonal, em dois diferentes tipos de retículos: hexagonal simples (HS) e hexagonal
compacto (HC) (VAN VLACK, 1973). Uma das características que fazem do titânio um
material interessante é a possibilidade de transformação alotrópica. O titânio puro apresenta
estrutura cristalina hexagonal compacta (HC), denominada fase (α), em uma faixa de
temperatura que se inicia na temperatura ambiente e vai até 882,5 ºC. Dessa temperatura até
1.672 ºC, o titânio exibe uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), denominada fase β,
conforme Figura 2-1.
7
Figura 2-1- Esquema representativo da alotropia do titânio.
Fonte: Shackelford (2005).
O estado de oxidação mais estável do titânio é +4, existindo compostos com valência +2
ou +3. Ele é classificado como um elemento de transição com o último nível eletrônico
incompleto (1s² 2s² 2p6 3s² 3 p6 4s² 3d²), com grande afinidade atômica pelos elementos
hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio, todos formadores de soluções sólidas intersticiais.
Tabela 2-1 - Propriedades físicas e químicas do titânio.
Propriedades
Ti
Número atômico
22
Peso atômico
47,90
Densidade a 20 ºC, g/cm³
4,43
Volume atômico, cm³
10,81
Ponto de fusão, ºC
1668
Ponto de ebulição, ºC
3260
Potencial de ionização, eV
6,83
Eletronegatividade
1,6
Potenciais padrões, εº, volts:
M + 2H2O ↔ MO2 + 4H+ + 4e
0,86
M ↔ M4+ + 4e
M ↔ M2+ + 2e
1,63
Raio iônico, M4+
0,68
Raio metálico (coordenação 12)
1,47
Fonte: ASTM (1988).
8
O titânio é um elemento muito reativo a altas temperaturas, queimando na presença de
oxigênio; por isso requer um atmosfera inerte para seu processamento. O oxigênio pode se
difundir no titânio, fragilizando o metal. Com isso, pouco reativo em temperatura ambiente, o
titânio aquecido sofre a ação dos elementos não-metálicos e forma compostos estáveis, rígidos
e refratários, como o nitreto (TiN), o carbeto (TiC) e os boretos (TiB e TiB2).
Devido ao fato de o seu diâmetro atômico ser muito pequeno, o hidrogênio apresenta
elevada difusibilidade. Desse modo, é facilmente absorvido pelas estruturas cristalinas,
inclusive em temperaturas baixas. O resfriamento lento de 400 ºC até a temperatura ambiente
favorece a precipitação sob a forma de hidretos de titânio que reduzem significativamente a
tenacidade e a ductilidade. A sua interação com o titânio gera uma simples transformação
eutetoide de fase alfa + hidreto, formada diretamente da fase beta. Assim, um forte efeito
estabilizador sobre o campo da fase beta resulta no decréscimo da temperatura de
transformação da fase alfa para beta de 882 ºC para a temperatura eutetoide de 300 ºC.
A presença de nitrogênio e oxigênio também provoca a redução na tenacidade,
alterando as propriedades mecânicas do metal de transição. Em uma análise molecular,
observa-se a formação de estruturas aciculares, conhecidas como estruturas de
Widmanstätten. Essas estruturas são caracterizadas por um padrão geométrico resultante de
uma nova fase formada em certo plano cristalográfico relativa à estrutura do sólido. A adição
nitrogênio + oxigênio promove a estabilização da fase Ti-α e a formação de um peritético L+α
→ β.
O carbono é outro elemento que favorece a redução da ductilidade e a tenacidade.
Entretanto, em teores de até 0,3%, pode formar carbetos que resultam no aumento da
resistência mecânica.
O hidrogênio, o nitrogênio e o carbono têm grande solubilidade na estrutura hexagonal
compacta (fase α) e na estrutura cúbica de corpo centrado (fase β). Esses elementos formam
uma solução sólida intersticial com o titânio e ajudam a estabilizar a fase α (DONACHIE JR,
1988). Um diagrama de fase parcial de titânio e oxigênio é mostrado na Figura 2-2. O
oxigênio permanece em solução sólida intersticial até o limite de solubilidade,
aproximadamente 33% em peso. Desse modo, o metal apresenta uma única fase.
9
Figura 2-2 - Diagrama de fase do titânio e do oxigênio.
Fonte: Codaro, Vilche e Guastaldi (1994).
Os elementos de transição, tais como molibdênio, nióbio e vanádio, atuam como
estabilizadores da fase β (ZHANG; HENRICH, 1992). Os elementos alumínio e ferro, por
outro lado, são estabilizadores da fase α (NOORT, 1987; WORTHINGTON; LANG;
LAVELLE, 1994).
2.1.3 Titânio comercialmente puro
O titânio comercialmente puro é descrito como fisiologicamente inerte e toxicamente
benigno. Trata-se, na realidade, de uma liga de titânio e oxigênio e apresenta teores de pureza
que estão entre 98 e 99,5%. De acordo com a especificação britânica, para uso em implantes
cirúrgicos, o conteúdo de oxigênio deve ser menor que 0,5%. Nessa forma, a liga tem
estrutura hexagonal compacta em temperatura ambiente. Suas propriedades físicas podem
variar de acordo com a quantidade de impurezas e de elementos residuais ao processo de
purificação, tais como: oxigênio (O), ferro (Fe), nitrogênio (N), carbono (C) e hidrogênio (H)
(PABLER; MANN, 1991). As impurezas determinam a classificação dos quatro tipos de
titânio denominados comercialmente puros (WANG; FENTON, 1996).
A Tabela 2-2 exibe a variação dos teores de nitrogênio, hidrogênio, oxigênio, carbono e
ferro pela norma ASTM F27.
10
Tabela 2-2 - Teores da composição do Ti pela norma ASTM F67.
ASTM F67 – Composição máxima (%) p/p
Categoria
Grau 1
Grau 2
Grau 3
Grau 4
Max.
Max.
Max.
Max.
Elementos
0,015
Hidrogênio
Nitrogênio
0,03
0,03
0,05
0,05
0,08
Carbono
Oxigênio
0,18
0,25
0,35
0,4
Ferro
0,2
0,3
0,3
0,5
Titânio
Balanço
Fonte: ASTM (1988).
Elementos como oxigênio, ferro, nitrogênio, carbono e hidrogênio têm maior
solubilidade no sistema hexagonal compacto fase (α) do que no reticulado cúbico de corpo
centrado da fase (β). Esses elementos adicionados ao titânio formam soluções sólidas
intersticiais e ajudam a estabilizar a fase alfa. Entretanto, consideráveis mudanças em algumas
propriedades mecânicas ocorrerão apesar das pequenas frações percentuais de O, Fe, N, C e H
presentes no “titânio puro”. Isso porque esses elementos passam a ocupar áreas dentro do
arranjo cristalino intersticial e causam desalojamento parcial dos átomos de titânio, reduzindo
os eventuais deslizamentos dos átomos quando sujeitos a forças externas, aumentando, dessa
forma, a resistência a possíveis deformações plásticas (WANG; FENTON, 1996).
2.1.4
Ligas de titânio
A cinética de transformação de fases do titânio está diretamente relacionada às
propriedades metalúrgicas e mecânicas do material. Para alterar a temperatura de
transformação de fases, são adicionados ao titânio alguns elementos estabilizadores chamados
alfa e beta, o que pode ser visualizado na Figura 2-3. Os elementos alfa estabilizadores,
quando adicionados, aumentam a temperatura de transformação da fase α para β. Alguns
desses elementos são o alumínio, o gálio e o estanho, e, geralmente, elementos intersticiais
que não fazem parte do grupo de transição, como o hidrogênio, o carbono, o nitrogênio e o
oxigênio. Por outro lado, os elementos estabilizadores beta diminuem a temperatura de
11
transição, como o vanádio, o molibdênio, o cromo, o cobre, o ferro, o nióbio e outros metais
nobres. Assim, a manipulação das fases presentes por meio de adições de elementos de liga e
de tratamentos termomecânicos constitui a base para o desenvolvimento de diversas ligas com
diferentes propriedades (WEISS; SEMIATIN, 1998).
As ligas de titânio em seu estado bruto de fusão exibem grãos beta (β), relativamente
grandes, regiões com finas estruturas lamelares dentro dos grãos e, consequentemente,
modestas propriedades mecânicas (MARKOVSKY, 1995). A aplicação de tratamentos
térmicos rápidos reverte a estrutura das ligas de titânio, causando uma mudança no arranjo das
fases dentro dos grãos beta; portanto, um aumento na resistência mecânica. A quebra da
estrutura bruta de fusão por meio de tratamentos térmicos rápidos, e subsequente aumento de
resistência mecânica, resulta na formação de martensita, proveniente de resfriamentos rápidos
a partir do campo α + β. Manero, Gil e Planell (2000) afirmam que a transformação da
martensita está diretamente ligada a diversas reações que dependem da estrutura martensítica
e da composição química da liga.
Figura 2-3 - Diagrama de fases do titânio.
Fonte: Autoria Própria.
Nas ligas de titânio, entre as regiões que compõem a fase α e a fase β, existe uma região
bifásica chamada (α + β). As ligas são excelentes para aplicações a baixas temperaturas. Além
disso, oferecem nível moderado de resistência mecânica, boa soldabilidade, tenacidade e
resistência à fluência. São ligas não tratáveis termicamente e a morfologia da microestrutura
12
depende da taxa de resfriamento e da composição química. As ligas (α + β) são uma
combinação de fases coexistindo em equilíbrio à temperatura ambiente. Essas ligas podem ter
suas propriedades controladas por tratamentos térmicos, os quais são usados para o ajuste da
microestrutura por meio da fase β. Essa fase pode ficar retida, transformar-se em estruturas
martensíticas, αm, ou transformar-se alotropicamente em α.
Figura 2-4 - Composição das ligas de titânio.
Fonte: Autoria Própria.
As ligas de titânio alfa são especialmente formadas por titânio puro e ligas com
elementos estabilizadores α, que apresentam apenas fase α à temperatura ambiente. Essas
ligas apresentam alta resistência à fluência e são adequadas para trabalhar a elevadas
temperaturas, uma vez que as fases metaestáveis não se mantêm após o resfriamento a partir
de altas temperaturas, não sendo possíveis grandes modificações na microestrutura e nas
propriedades mecânicas quando tratamentos térmicos a altas temperaturas são realizados.
Como a fase α não está sujeita à transição dúctil-frágil, essas ligas têm um bom
comportamento para tratamentos a temperaturas muito baixas. Em relação às propriedades
mecânicas e metalúrgicas, as ligas α exibem alto módulo de elasticidade, boa tenacidade à
13
fratura e baixa forjabilidade devido à estrutura cristalina do tipo hexagonal compacta
(BALAZIC et al., 2007).
As ligas de titânio beta são obtidas quando grande quantidade de elemento
estabilizador-β é adicionada, diminuindo a temperatura de transformação alotrópica (transição
α/β) do titânio. Ligas de titânio β são muito frágeis em temperaturas criogênicas e não são
adequadas para aplicação em elevadas temperaturas por possuírem baixa resistência à fluência
(BALAZIC et al., 2007).
O desenvolvimento das ligas de titânio tem sido conduzido principalmente pelas
indústrias aeroespaciais e militares devido à sua relação resistência/peso, resistência à
corrosão e fadiga e a preservação das propriedades mecânicas em elevadas temperaturas.
Ligas de titânio apresentam resistência comparável com as ligas de aço, e possuem apenas
60% do valor da densidade do aço inoxidável. A Tabela 2-3 apresenta algumas características
do titânio e suas ligas.
14
Tabela 2-3 - Classificação ASTM do titânio e suas ligas.
Fonte: Melo (2003).
15
2.1.5 Ti-6Al-4V
A presença das fases α + β à temperatura ambiente nas ligas de titânio propicia
propriedades mecânicas superiores em relação ao metal puro. Uma parcela de
aproximadamente 70% da produção mundial das ligas de titânio está dirigida à confecção
dessas ligas, em especial a liga Ti-6Al-4V, que reúne boas propriedades mecânicas e
biocompatibilidade, abarcando enorme área de pesquisas e aplicações, particularmente nos
setores aeroespaciais e médicos.
Com a adição de pequenas quantidades de alumínio (Al) e vanádio (V) ao titânio puro,
obtém-se um substancial aumento da resistência mecânica, principalmente a resistência à
fratura, ao limite de escoamento, à dureza e ao alongamento. O alumínio é um estabilizador
da fase α e o vanádio um estabilizador da fase β. Assim, em temperatura ambiente, uma
estrutura bifásica de grãos de alfa e beta está presente (PARR; GARDNER; TOTH, 1985). A
Figura 2-5 exibe um diagrama de fase parcial para o processo de formação da fase α e da fase
β para a liga de Ti-6Al-4V. Observa-se que, até a concentração de aproximadamente 6,4% de
alumínio, existem apenas as fases α e β.
Figura 2-5 - Diagrama de fases parcial da liga Ti-6Al-4V.
Fonte: Worthington (1994).
A Norma ASTM F136 estabelece a faixa de concentração do Al, V, Fe e outros
elementos para a liga Ti-6Al-4V, como apresentado na Tabela 2-4.
16
Tabela 2-4 - Composição química da liga Ti-6Al-4V.
Fonte: ASTM (1988).
A liga de Ti-6Al-4V apresenta grande similaridade com as ligas à base Ni-Cr e Co-Cr.
Entretanto, a liga de titânio apresenta menor densidade, o que acarreta a redução do peso da
peça protética e aumenta o conforto do portador (BAUER et al., 2006; THOMAS;
LECHNER; MORI, 1997). Em relação ao titânio puro, a liga Ti-6Al-4V apresenta quase o
dobro de resistência mecânica à tração e à dureza (AOKI et al., 2004). Inúmeros estudos
demonstram o excelente desempenho mecânico dessa liga quando comparada ao titânio puro
e a ligas experimentais, como os trabalhos de KOIKE et al., 2005; LIN JU; CHERN LIN,
2005; ROCHA et al., 2005; e KIKUCHI et al., 2003.
Embora a liga Ti-6Al-4V seja muito utilizada, o óxido de vanádio e alumínio formado
sobre a liga é considerado tóxico por muitos pesquisadores. Como esse óxido é
termodinamicamente instável, há discussões sobre sua toxicidade quando presente no
organismo. Segundo Okazaki e Gotoh (2005), ele pode irritar o sistema respiratório, chegando
até mesmo a comprometer o funcionamento dos pulmões.
Com o desgaste da liga no organismo, íons de vanádio e de alumínio podem ser
liberados. Eles são apontados como elementos de alta toxicidade, sendo o alumínio associado
ao mal de Alzheimer. Os íons também podem ocasionar descamação da mucosa do trato
respiratório e ainda prejudicar a produção sanguínea. A exposição da liga por muito tempo
17
aos fluidos corpóreos reduz a resistência à corrosão e pode agravar os processos malignos ao
redor do material implantado (FRIEDMAN; VERNAN, 1983). Após o implante dentário
fabricado à base de titânio ser implantado no paciente, o material imediatamente reage com os
fluidos corporais, que consistem em moléculas de água, íons dissolvidos e proteínas, como
apresentado na Figura 2-6.
Figura 2-6 - Interação entre o titânio e os fluidos corporais.
Fonte: Balazic et al. (2007).
2.1.6 Propriedades e aplicações do titânio e suas ligas
O titânio foi introduzido no campo médico no início dos anos 1940, com a publicação
de um artigo por Boothe e Daventport (1942) sobre a reação do osso para múltiplos implantes
metálicos. Eles implantaram vários metais (titânio, aço inoxidável e liga cromo-cobalto) no
fêmur de ratos, não ocorrendo reação adversa significativa.
Já o uso do titânio e suas ligas como biomaterial teve iníciou na década de 1950,
substituindo os aços inoxidáveis, devido às suas excelentes propriedades mecânicas e à boa
resistência à corrosão com produtos de corrosão inertes. Além disso, o titânio e suas ligas
apresentam módulo de elasticidade de 110 GPa, o mais próximo ao osso (11 GPa) quando
comparado com outros materiais.
O interesse e a evolução da utilização de implantes para recuperação de indivíduos
lesionados intensificou-se durante o período das grandes guerras mundiais, impulsionando as
pesquisas de materiais biocompatíveis que implicaram a realização de testes em animais a
partir de 1940.
18
O titânio é reconhecido como um dos materiais mais biocompatíveis devido à formação
de uma camada de óxido de titânio estável em sua superfície. Essa camada é capaz de formar
uma superfície rica em fosfato de cálcio, como apresentado na Figura 2-7, muito similar à
hidroxiapatita (fosfato de cálcio cristalino), responsável também pela prevenção à corrosão.
Todas essas características somadas tornam o Ti biocompatível.
Figura 2-7 - Formação da camada de dióxido de titânio e hidroxiapatita sobre
biomaterial à base de titânio.
Fonte: Balazic et al. (2007).
A característica de resistência à corrosão favorece o uso das ligas para fabricação de
componentes navais, dutos e trocadores de calor para a indústria química nas plataformas de
exploração petrolífera, entre outros. Em relação à/ao resistência/peso e à resistência a
elevadas temperaturas, as ligas de titânio podem ser empregadas em componentes das turbinas
e em partes estruturais das aeronaves e dos veículos de combate militares.
2.2 Fabricação mecânica
Os processos de fabricação mecânica se baseiam em um princípio de produção dos mais
antigos existentes, usado pelo homem desde a mais remota antiguidade, quando servia para a
fabricação de vasilhas de cerâmica. Esse princípio serve-se da rotação da peça sobre seu
próprio eixo para a produção de superfícies cilíndricas ou cônicas. Mas, apesar de muito
antigo, pode-se dizer que ele só foi efetivamente usado para o trabalho de metais no começo
deste século. A partir de então, tornou-se um dos processos mais completos de fabricação
mecânica, uma vez que permite conseguir perfis cilíndricos e cônicos necessários aos
produtos da indústria mecânica.
19
2.2.1 Torneamento
Segundo o SENAI (CATTO, 2004), o processo de torneamento se baseia no movimento
da peça em torno de seu próprio eixo. O torneamento é uma operação de usinagem que
permite trabalhar peças cilíndricas movidas por um movimento uniforme de rotação em torno
de um eixo fixo. São trabalhos executados com máquinas-ferramenta e acontecem mediante a
retirada progressiva do cavaco da peça a ser trabalhada. Esse cavaco é cortado por uma
ferramenta de um só gume cortante, que deve ter uma dureza superior à do material a ser
cortado.
No torneamento, a ferramenta penetra na peça, cujo movimento rotativo uniforme ao
redor do seu eixo permite o corte contínuo e regular do material. A força necessária para
retirar o cavaco é feita sobre a peça, enquanto a ferramenta, firmemente presa ao portaferramenta, contrabalança à reação dessa força.
No processo de torneamento, são três os movimentos relativos entre a peça e a
ferramenta (CATTO, 2004):
Movimento de corte: é o movimento principal que permite cortar o material. O
movimento é rotativo e realizado pelo eixo árvore onde é fixada a peça.
Movimento de avanço: é o movimento que desloca a ferramenta ao longo da superfície
da peça.
Movimento de penetração: é o movimento que determina a profundidade de corte ao
empurrar a ferramenta em direção ao interior da peça e, assim, regular a profundidade do
passe e a espessura do cavaco.
Figura 2-8 - Movimentos relativos entre a peça e ferramenta.
Fonte: Catto (2004).
20
Variando os movimentos, a posição e o formato da ferramenta, é possível usinar várias
formas em diferentes operações.
Figura 2-9 - Torneamento de superfícies cilíndricas externas e internas.
Fonte: Catto (2004).
Figura 2-10 - Torneamento de superfícies cônicas externas e internas.
Fonte: Catto (2004).
Figura 2-11 - Roscar superfícies externas e internas.
Fonte: Catto (2004).
Figura 2-12 - Perfilar superfícies.
Fonte: Catto (2004).
2.2.2
Fresamento
Formas variadas é um fator que complica o processo de usinagem. Mas, devido às
maquinas de fresamento, fresadoras, ferramentas e dispositivos especiais, é possível usinar
vários tipos de superfícies e formatos de peça.
21
Segundo o SENAI (CATTO, 2004), o fresamento é um processo de usinagem mecânica,
feito por fresadoras e ferramentas especiais, chamadas fresas. O fresamento consiste na
retirada do excesso de metal ou sobremetal da superfície de uma peça, a fim de dar a esta uma
forma e acabamento desejados. No fresamento, a remoção do sobremetal da peça é feita pela
combinação de dois movimentos efetuados ao mesmo tempo. Um dos movimentos é o de
rotação da ferramenta, a fresa. Outro é o movimento da mesa da máquina, na qual é fixada a
peça a ser usinada. O movimento da mesa da máquina ou movimento de avanço que leva a
peça até a fresa é que torna possível a operação de usinagem (Figura 2-13).
Figura 2-13 - Sistema de fresamento.
Fonte: Catto (2004).
2.3 Processos de roscamento
A usinagem é um processo que está sempre na vanguarda do desenvolvimento
tecnológico. A evolução e o desenvolvimento dos mais diversos tipos de produtos, como:
peças de alta precisão, motores, estruturas metálicas e até microcomponentes, passam pelo
processo de usinagem. Considerando a sua forma mais ampla, não existe na indústria moderna
um dispositivo, por mais complexo que seja, que não tenha passado por um processo de
usinagem. Entretanto, a usinagem não está apenas preparada para fazer máquinas
funcionarem. O processo está a serviço também do funcionamento correto do corpo humano,
seja por meio de próteses e implantes para substituir ossos e cartilagens, seja por meio de
aparelhos que auxiliam as complexas cirurgias do coração.
Devido à simplicidade que apresenta, o torneamento foi um dos primeiros processos
modernos desenvolvidos pelo homem. Anteriores ao torneamento, processos como o
22
forjamento e a fundição apresentavam grande aplicação na fabricação de componentes
industriais e de uso doméstico. Portanto, havia elevado domínio e conhecimento por parte dos
artífices, porém a qualidade dos produtos era inferior à daqueles produzidos pelo
torneamento.
Dessa forma, seguindo uma linha evolutiva com pequena variação cronológica,
processos como a furação, o fresamento e o roscamento surgiram praticamente simultâneos ao
torneamento. Todos esses processos apresentam dinâmicas de trabalho variadas com
parâmetros de processos específicos e que influenciam diretamente na qualidade dos
produtos. Entretanto, esses processos têm em comum a classificação como processos com
remoção de cavaco (CARVALHO, 2011).
2.3.1
Roscas
Segundo Gordo e Ferreira (2000), é denominado rosca um conjunto de filetes em torno
de uma superfície cilíndrica.
Figura 2-14 - Exemplo de rosca externa.
Fonte: Gordo e Ferreira (2000).
As roscas podem ser internas ou externas. Exemplos clássicos seriam o parafuso e a
porca. Essa diferença permite que elas se acoplem fixando algum item desejado.
23
Figura 2-15 - Porca e Parafuso.
Fonte: Gordo e Ferreira (2000).
Os tipos de roscas se alteram em seus perfis de filete e cada tipo é indicado para uma
aplicação específica. Essa mesma rosca pode ter seus filetes direito ou esquerdo, sendo que, à
direita, o aperto se dá no sentido horário e, à esquerda, no anti-horário.
Figura 2-16 - Tipos de filetes e aplicação.
Fonte: Gordo e Ferreira (2000).
24
2.3.2
Nomenclatura e dimensionamento de roscas
Independente da sua aplicação, as roscas têm os mesmos elementos, variando apenas os
formatos e as dimensões. Os símbolos utilizados, conforme a norma ABNT (2004), que
especifica as dimensões básicas para rosca métrica ISO de uso geral, são:
D - Diâmetro maior da rosca interna no perfil básico (diâmetro nominal);
D - Diâmetro maior da rosca externa no perfil básico (diâmetro nominal);
D1 - Diâmetro menor da rosca interna no perfil básico;
d1 - Diâmetro maior da rosca externa no perfil básico;
D2 - Diâmetro de flanco da rosca interna no perfil básico;
d2 - Diâmetro de flanco da rosca externa no perfil básico;
H - Altura do triângulo fundamental; e
P - Passo
Figura 2-17 - Dimensões básicas da rosca ISO.
Fonte: ABNT (2004).
Para o cálculo das dimensões básicas segundo a norma ABNT NBR 724 (2004), que
especifica as dimensões básicas para A rosca métrica ISO de uso geral, seguem-se as
seguintes equações:
D2 = D – 2 x 3/8 H = D – 0,649 5*P
d2 = d – 2 x 3/8 H = d – 0,649 5*P
D1 = D – 2 x 5/8 H = D – 1,082 5*P
d1 = d – 2 x 5/8 H = d – 1,082 5*P
25
2.3.3 Usinagem de roscas
Os machos para roscar manualmente são geralmente mais curtos e apresentados em
jogos de duas peças (para roscas finas) ou três peças (para roscas normais) com variações na
entrada da rosca e no diâmetro efetivo.
Figura 2-18 - Demonstrativo de jogo de macho manual.
Fonte: Catto (2004).
O primeiro tem a parte filetada (roscada) em forma de cone. O segundo tem os
primeiros filetes em forma de cone e os restantes em forma de cilindro. O terceiro é todo
cilíndrico na parte filetada. Os dois primeiros são para desbaste e o terceiro é para
acabamento.
Figura 2-19 - Demonstração de filetes do jogo de macho três peças.
Fonte: Catto (2004).
26
Os machos para roscar à máquina são apresentados em uma peça e têm seu
comprimento normalmente maior que o macho manual.
Esses machos são caracterizados por:
Sistema de rosca desejada. Ex.: Métrica, Whitworth.
Aplicação (tipo de furo). Ex.: Passante, Cego.
Passo medido pelo sistema. Ex.: Fios por pegada, distância de um filete ao outro.
Diâmetro externo ou nominal e sua classificação de folga.
Diâmetro da Haste.
Sentido da Rosca.
Os machos podem ser classificados quanto ao seu tipo de canal, ranhuras, sistema de
refrigeração e tipo de usinagem.
Figura 2-20 - Tipos de macho máquina.
Fonte: Adaptado de Catto (2004).
O fresamento por interpolação também é uma das formas de fabricação de roscas
internas e externas. As ferramentas utilizadas podem já conter o passo e o comprimento da
rosca desejado. Logo, o sistema permite a execução de todos os filetes da rosca com somente
27
uma volta. Ou seja, uma só passada da ferramenta (Figura 2-21c) de aresta única ou
monocortante (Figura 2-21a) também executa o movimento por interpolação. Porém, é
necessário o avanço, conforme o passo da rosca desejado, e um número de voltas ou passos
maior do que um. Para roscas internas, o diâmetro da fresa sempre deve ser inferior ao
diâmetro da rosca. Já para o roscamento externo, isso não é necessário.
Figura 2-21 - Detalhe do processo de fresamento de roscas: (a) Fresamento com
aresta monocortante, (b) Fresamento com arestas multicortante e (c) Fresamento com
ferramenta circular helicoidal.
Fonte: Araújo et al. (2004).
Figura 2-22 - Processo de roscamento externo.
Fonte: Ferraresi (1990).
O operação inversa no sistema manual utilizado é a ferramenta chamada cossinete ou
tarraxa. Essa ferramenta, assim como os machos, tem a finalidade de assegurar um perfeito
28
acoplamento e intercambialidade de peças fabricadas em série. É uma ferramenta de corte
feita de aço especial com um furo central filetado semelhante ao de uma porca. Possui três ou
mais furos que auxiliam na saída dos cavacos. Pode apresentar um corte radial de abertura,
que permite regular a profundidade de corte. Isso é feito por meio de um parafuso instalado na
fenda ou por meio dos parafusos de regulagem do porta-cossinete. Se esses parafusos não
forem bem apertados, podem produzir erros no passo, porque os dentes cortam
irregularmente.
No mercado, são encontrados cossinetes com entrada corrigida, ou seja, helicoidal, para
roscamento em materiais de cavaco longo e para aços em geral, facilitando a saída do cavaco
no sentido contrário ao do avanço da ferramenta. Isso evita o engripamento por acúmulo de
cavacos nos furos. Existem também cossinetes sem entrada corrigida para materiais que
apresentam cavacos curtos e quebradiços, como o latão.
Para trabalhos de obtenção de roscas iguais e normalizadas, deve-se usar cossinetes
rígidos ou fechados que não permitam a regulagem da “folga” da rosca.
Figura 2-23 - Cossinete ou tarraxa com sistema fechado.
Fonte: Catto (2004).
Figura 2-24 - Cossinete ou tarraxa com sistema de regulagem da folga; ou seja,
aberto.
29
Fonte: Catto (2004).
Para o uso manual da tarraxa ou cossinete, necessita-se do acoplamento em uma
ferramenta (Figura 2-25).
Figura 2-25 - Porta-cossinete ou desandador.
Fonte: Catto (2004).
Outro sistema utilizado para roscamento manual é o cossinete bipartido. Trata-se de
uma variação dessa ferramenta, onde é formado por duas placas com formato especial e
apenas duas arestas cortantes (Figura 2-26). Ele é utilizado amplamente na fabricação de
roscas em tubos de plástico, ferro galvanizado e cobre.
Figura 2-26 - Cossinete manual bipartido.
Fonte: Catto (2004).
Segundo o SENAI (CATTO, 2004), outra variação seria o cossinete de pente, usado no
roscamento com tornos revólveres e rosqueadeiras automáticas. Os pentes são montados em
cabeçotes com quatro ranhuras e aperto concêntrico e simultâneo, assegurando, assim, a
regulagem do diâmetro e a abertura brusca no fim do trabalho, a fim de liberar o pente sem
voltar a ferramenta. Nas rosqueadeiras, para cada cabeçote, existe um carrinho que avança e
recua a peça e que tem sistema próprio para aplicação de fluido de corte (Figura 2-27).
30
Figura 2-27 - Cabeçote de pentes expansível.
Fonte: Catto (2004).
2.3.4
Laminação de roscas
No processo de laminação de roscas a frio sem cavacos, o material da peça de trabalho é
submetido a uma pressão além de seu ponto de deformação e, então, é deformado
plasticamente; ou seja, permanentemente.
Segundo Emuge (2010), a laminação de roscas faz parte do processo de estampagem. A
rosca interna é gerada por meio da impressão de uma sequência helicoidal de dentes de rosca
no orifício de rosca previamente preparado, o que permite laminar o perfil desejado mediante
a aplicação de pressão. Para ferramentas, o macho de laminação dispõe de uma redução de
guia para entrada e uma peça de guia cilíndrica para fixação. A hélice da rosca estende-se por
ambas as peças. Se for observada a seção transversal da ferramenta, pode-se apreciar uma
forma poligonal que forma um ângulo reto com o eixo da ferramenta. Essa forma poligonal
cria arestas de laminação responsáveis pelo perfil de rosca efetivo.
A parte de um macho de laminação que serve de guia está desenhada em forma de
redução de guia, onde o diâmetro da linha da rosca helicoidal aumenta constantemente. No
processo de laminação, a redução de guia gera a rosca com ajuda das arestas de laminação,
que entram na peça de trabalho de forma sucessiva e na direção radial, criando a rosca.
Durante esse processo, o material da peça de trabalho “flui” pelos flancos das roscas, partindo
das cristas das roscas e chegando até a zona de menor diâmetro de rosca. Isso permite criar
uns flancos de superfícies lisas e, na zona de menor diâmetro, o típico “adensamento” (Figura
2-28).
31
Figura 2-28 - Mudanças na microestrutura causadas pela laminação.
Fonte: Emuge (2010).
Segundo Emuge (2010), para os modelos de machos para laminação de roscas, têm-se
os exemplos da Figura 2-29.
Figura 2-29 - Exemplos de Machos Laminadores.
Fonte: Emuge (2010).
32
Segundo Detroit (2006), estas são algumas vantagens da Rosca Laminada:
Alta precisão;
Maior resistência das roscas à tração;
Sem remoção de cavacos;
Economia de material;
Tempos de usinagem e ciclos reduzidos;
Alta qualidade de acabamento superficial.
Os sistemas de laminação de rosca acoplados a maquinas operatrizes, tais como tornos,
centro de usinagem e centros de torneamento, gozam das mesmas vantagens dos sistemas
dedicados para laminação de rosca. Segundo Fette (2012), o processo de laminação de rosca,
além de economia de tempo-máquina, garante um melhor acabamento e repetibilidade no
processo, sem geração de cavaco ou formação de arestas cortantes. Nos sistemas
exemplificados na Figura 2-30, Fette (2012) mostra a aplicação do sistema para cada tipo de
peça a ser rosqueada por laminação.
33
Figura 2-30 - Tipos de sistemas de laminação de rosca em máquinas operatrizes.
Fonte: Fette (2012).
34
A laminação de roscas por placas planas (Figura 2-31) mostra que, neste caso, aplicamse duas placas. Já no perfil da rosca a ser laminada, onde uma fica parada, a outra se
movimenta linearmente, paralela a outra placa, onde a peça é colocada entre as placas. Pelo
movimento de avanço, vão conformando, assim, os filetes de roscas à medida que a peça gira.
Figura 2-31 - Laminação de roscas com encosto plano.
Fonte: Carvalho (2011).
Já a laminação de rosca com cilindros paralelos trata-se de dois cilindros com o perfil
dos filetes da rosca girando de forma sincronizada, onde a peça passa entre os cilindros
apoiada em uma régua (Figura 2-32). As peças podem ser passantes, no caso de barras
roscadas, em que a distância entre os rolos é fixa; ou de mergulho, onde os cabeçotes se
afastam, sendo possível a fabricação de peças com “cabeça”.
35
Figura 2-32 - Máquina laminadora de rosca.
Fonte: Atlasmaq (www.atlasmaq.com.br).
Segundo Carvalho (2011), para o processo de laminação de rosca com cilindro e
segmento de roscamento, comprime-se o material entre até três elementos de roscamento
fixos e reguláveis com zona de saída de curvatura determinando um segmento de roscamento,
o qual gira e guia a peça contra o cilindro de laminação. Esse princípio (Figura 2-33) é
utilizado na fabricação de grandes lotes de peças, amplamente utilizado na indústria de
fixação, para a fabricação de parafusos.
Figura 2-33 - Laminação de roscas com um cilindro de roscamento e um segmento de
apoio.
Fonte: Carvalho (2011).
36
Segundo Fromentin (2006), as características da superfície do fio dependem dos
parâmetros da operação de rosqueamento, pelo qual tem de ser tomada em consideração na
abordagem de design ou forma da peça quando esse processo é escolhido. Então, é necessaria
a elaboração de suportes ou gabatiros de acordo com a forma da peça. No entanto, a
laminação é o processo de fabricação de roscas que mais se destaca entre os demais devido à
taxa pequena de fabricação. Para Helman e Cetlin (2003), a laminação cria um encruamento
na superfície do material, aumentando a dureza superficial e melhorando a resistência do
produto final.
A rosca e o parafuso tiveram sua origem em torno do ano 400 a.C. No final do século
XV, Leonardo da Vinci fez vários desenhos de projetos de máquinas para se fabricarem
parafusos com roscas. Porém, o primeiro equipamento concreto para esse propósito foi
inventado em 1568 pelo matemático francês Jacques Besson. Hoje, o parafuso e a rosca estão
presentes em praticamente tudo no nosso dia a dia (INSTITUTO TECNOLÓGICO DE
FIXAÇÃO, 2009).
Devido à grande utilização das roscas, a indústria tem buscado formas mais produtivas e
mais seguras para a fabricação desses componentes. Os processos mais utilizados são aqueles
com remoção de cavaco (usinagem) e por conformação mecânica (laminação). A laminação
de roscas consiste em submeter a peça sob uma pressão causada por rolos laminadores ou
pentes planos, que podem ser utilizados em máquinas específicas ou em tornos de usinagem.
Entre algumas características que diferenciam a rosca usinada das roscas convencionais,
pode-se destacar que, na rosca usinada, o filete é gerado pela retirada do material por meio de
ferramentas de corte feitas de aço rápido ou metal duro. Essas ferramentas têm o ciclo de vida
pequeno, o que pode gerar roscas fora do especificado. Na laminação, o material é
compactado por rolos laminadores ou pelos pentes planos, o que permite um melhor
acabamento superficial e diminui o atrito da rosca no momento de aplicar o torque. Mas a
laminação também pode causar falhas de fabricação, como na formação dos filetes de roscas e
dos filetes duplos. Dependendo do material a ser laminado, pode, ainda, gerar tensões
internas.
37
CAPÍTULO 3
3
MATERIAIS E MÉTODOS
O experimento baseou-se no processo de industrialização ou fabricação da rosca externa
M12 x 1,5 mm de passo, por meio dos processos de usinagem por aresta monocortante, que
preveem a retirada de cavaco e a laminação por cabeçote laminador axial de três rolos
montado em torno CNC. O experimento basicamente se constituiu do processo de fabricação
de filetes pelo método de conformação com cabeçote laminador em máquina operatriz e
usinagem por aresta única de corte, ou seja, a fabricação de roscas externas por meio de dois
princípios, a saber: a usinagem por aresta monocortante, que provê a retirada de material, e o
processo de laminação, que promove a formação dos filetes pelo escoamento do material, sem
formação de cavaco. Os dois processos foram realizados em um equipamento CNC, onde, no
caso do processo de conformação, foi empregado um sistema de cabeçotes laminadores axial
de três rolos.
3.1 A rosca
Para este estudo, foi selecionada a rosca métrica M12 no passo de 1,5 mm, conforme
Tabela da ABNT NBR ISO 724 Rosca métrica ISO de uso geral – Dimensões básicas. Essa
escolha se deu devido à disponibilidade de ferramentas na medida e por se tratar de uma
medida intermediária para linha automotiva.
Tabela 3-1 - Dimensões básicas para rosca M12.
Dnominal
=
Passo da rosca
Diâmetro de flanco
Diâmetro menor
[mm]
[mm]
[mm]
D ou d
p
D2, d2
D1, d1
12
1,5
11,026
10,376
Dmaior
[mm]
Fonte: ABNT (2004).
38
3.2 O Material
A liga escolhida foi a do grupo alfa-beta a Ti-6Al-4V, que apresenta composição
química (Tabela 3-2) no estado homogeneizado, em formato cilíndrico, com comprimento de
15 mm e 25 mm no diâmetro em bruto de 12,7 mm.
Tabela 3-2 - Composição química da Liga Ti-6Al-4V utilizada nos experimentos.
Elemento
Composição química [%]
Al
V
Fe
O
C
H
N
Y
Ti
Mínimo
5,5
3,5
0,3
0,14
0,08
0,01
0,03
50 ppm
balanço
Máximo
6,75
4,5
-
0,23
-
-
-
-
-
Fonte: www.realum.com.br
A Figura 3-1 apresenta a microestrutura da liga de titânio Ti-6Al-4V.
Figura 3-1 - Microestrutura da liga Ti-6Al-4V (MEV com ampliação de 250x).
Fonte: Autoria Própria
3.3 Máquinas e Equipamentos
Para a execução da usinagem, foi utilizado um Torno CNC Sinitron modelo BNC
2260X conforme Figura 3-2.
39
Figura 3-2 - Torno CNC sinitron BNC 2260X.
Fonte: Autoria Própria
Os testes de usinagem foram realizados com um suporte Iscar com o código R166 2525,
onde foi fixado um inserto Iscar código 16 ERM AG60 (Figura 3-3).
Figura 3-3 - Suporte e inserto intercambiável fixado na torre da máquina.
Fonte: Autoria Própria.
Para a execução das rocas laminadas, foi utilizado um cabeçote laminador com três
rolos da marca Fette F2 (Figura 3-4).
40
Figura 3-4 - Cabeçote Laminador Fette modelo F2.
Fonte: Autoria Própria.
Para a análise dimensional dos diâmetros das roscas, foi utilizado um micrômetro
externo, com intervalo de medição de 0-25mm da marca Digimes (Figura 3-5).
Figura 3-5 - Micrômetro Externo Digimess com intervalo de medição de 0-25mm.
Fonte: Autoria Própria.
Para a análise dos resultados dimensionais, foi utilizada uma câmera de medição ótica
marca Insize (Figura 3-6) acoplada a um projetor de perfil para medição da altura do filete.
Figura 3-6 - Sistema de medição ótico.
Fonte: Autoria Própria.
41
A análise micrográfica foi realizada com um Microscópio Eletrônico de Varredura da
marca HITACHI e modelo TM3000 (Figura 3-7), e um microscópio da marca Olympus e
modelo BX51 (Figura 3-8).
Figura 3-7 - Microscópio eletrônico de varredura HITACHI modelo TM3000.
Fonte: Autoria Própria.
Figura 3-8 - Microscópio ótico Olympus.
Fonte: Autoria Própria.
42
Para a análise do encruamento do material devido à recuperação elástica, foi utilizado
um Microdurômetro (Figura 3-9).
Figura 3-9 - Microdurômetro.
Fonte: autoria própria
3.4 Corpo de Prova
O corpo de prova tinha dimensões de 15 mm de comprimento para as roscas usinadas e
25 mm para as roscas laminadas. Basicamente, o corpo de prova era uma haste cilíndrica da
liga Ti-6Al-4V com diâmetro de 12,7 mm. A Figura 3-10 mostra um esquema em CAD do
perfil a ser fabricado para as roscas laminadas e usinadas.
Figura 3-10 - Demonstrativo de corpo de prova.
Fonte: Autoria Própria.
43
3.5 Descritivo
Para a fabricação de roscas, foi empregado o torno da Marca Sinitron modelo BNC
2260X, com torre hidráulica de oito posições, sistema de comando numérico Fanuc modelo 0i
(Figura 3-11). A sincronização dos movimentos axial e rotacional baseou-se no software CNC
da máquina por meio da função ativada G43, que permite o roscamento à velocidade de corte
constante.
Figura 3-11 - Comando Fanuc 0i.
Fonte: Autoria Própria.
Foi montado na torre do torno CNC um suporte da marca Iscar modelo R166 2525 e um
inserto intercambiável modelo 16 ERM AG60. Testes preliminares demonstraram que a
velocidade de usinagem de 38,83 m/min é o limite no processo de roscamento para a liga de
Ti-6Al-4V, assegurando um acabamento aceitável livre de vibrações e alta rugosidade. Um
planejamento fatorial completo (3k) foi utilizado para identificar os principais efeitos e a
interação de fatores de entrada sobre as respostas “diâmetro do perfil” e “altura h” da rosca
usinada, resultando em um arranjo experimental com nove combinações experimentais
distintas com três réplicas.
44
Tabela 3-3 - Parâmetros experimentais do processo de roscamento por usinagem.
Nível das variáveis de entrada
Fatores Experimentais
-1
0
+1
D
Velocidade de usinagem [m/min]
19,4
29,13
38,83
E
Posição de medição [Adm]
Início
Meio
Final
Fonte: Autoria Própria.
Conforme a Figura 3-12, a fixação das barras a serem roscadas pelo processo de
usinagem foi realizada diretamente no torno CNC, usando uma placa hidráulica de três
castanhas. O comprimento de balanço foi de 15 mm e o sentido de rotação anti-horário pelo
fato de a torre ser traseira e o suporte trabalhar invertido, o que ajuda na queda do cavaco por
gravidade, minimizando o risco de este enrolar na peça. Após a fixação do suporte ao VDI do
torno CNC, é necessária a padronização do diâmetro inicial a ser roscado de 12,00 mm. Essa
medida foi controlada utilizando o micrômetro externo digital com resolução de 0,001 mm no
início, no meio e no final do corpo de prova.
Figura 3-12 - Detalhe do processo de roscamento por usinagem.
Fonte: Autoria Própria.
Para a fabricação de roscas laminadas, foi empregado um torno da Marca Sinitron
modelo BNC 2260X, com torre hidráulica de oito posições, sistema de comando numérico
Fanuc modelo 0i (Figura 3-11). A sincronização dos movimentos axial e rotacional baseou-se
no software CNC da máquina. O dispositivo escolhido para laminar as roscas foi o sistema da
Fette tipo F, FU, F-RN, K (Figura 3-13), com avanço axial contendo três rolos laminadores.
45
Figura 3-13 - Sistema de laminação de rosca axial.
Fonte: Catálogo da Fette.
Após a fixação da barra na máquina, foi necessária a padronização do diâmetro inicial,
que também faz parte deste estudo. Ao longo de todo o perfil a ser roscado, essa medida foi
controlada utilizando-se um micrômetro externo digital com resolução de 0,001 mm. Para a
retirada do sobremetal, foi utilizado um suporte da marca Iscar modelo PTGNR 2525K-16
contendo um inserto Iscar TNMG 160404 6015 PN. Para determinar o diâmetro a ser
laminado, foi utilizada a norma ISO DIN 13 60º tolerância de parafusos em qualidade média
(Tabela 3-4).
Tabela 3-4 - Dimensões para laminação de rosca M12.
Rosca
M12
Passo
[mm]
Diâmetro primitivo
Diâmetro externo
Mínimo
Máximo
Mínimo
Máximo
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
1,5
10,854
10,994
11,732
11,968
Fonte: Autoria Própria.
A Tabela 3-5 mostra os fatores e níveis experimentais investigados para o roscamento
por laminação. O nível zero dos experimentos foi o diâmetro de 11 mm e a velocidade de
conformação de 9,15 m/min. Os níveis experimentais foram baseados no catálogo do
fornecedor para materiais não-ferrosos (EMUGE, 2010) e no estudo preliminar de Baldo et al.
(2010), que investigou o roscamento por conformação na liga de alumínio. Testes
preliminares demonstraram que a velocidade de conformação de 18,3 m/min é o limite para
essa liga, assegurando um processo de acabamento aceitável. Um planejamento fatorial
completo (3k) foi utilizado para identificar os principais efeitos e a interação de fatores de
46
entrada sobre as respostas “diâmetro do perfil” e “altura h” da rosca conformada, resultando
em um arranjo experimental com 27 combinações experimentais distintas com três réplicas.
Tabela 3-5 - Parâmetros experimentais do processo de roscamento por conformação.
Fatores Experimentais
Nível das variáveis de entrada
-1
0
+1
A
Velocidade de deformação [m/min]
4,6
9,15
18,3
B
Posição de medição
Início
Meio
Final
C
Diâmetro inicial da haste [mm]
10,85
11
11,15
Fonte: Autoria Própria.
Para a análise dos resultados dimensionais da altura do filete, foi utilizada a câmera de
medição ótica marca Insize com seu software para leitura por meio da imagem (Figura 3-14).
Figura 3-14 - Detalhe da medição da altura do filete.
Fonte: Autoria Própria.
Utilizando o micrômetro digital externo, foi executada a leitura do diâmetro externo da
rosca no início, no meio e no fim (Figura 3-15).
47
Figura 3-15 - Esquema da medição no início, meio e fim das roscas.
Fonte: Autoria Própria.
Por recomendação do fabricante das ferramentas utilizadas e informações de estudos
anteriores, todo o procedimento foi realizado com emulsão contendo 8% de concentração de
óleo solúvel e vazão de 20 l/min.
3.6 Experimento
Experimentos são realizados por pesquisadores em praticamente todos os campos de
investigação, geralmente para descobrir algo sobre um determinado processo ou sistema.
Literalmente, um experimento é um teste. Mais formalmente, define-se um experimento como
um teste ou uma série de testes em que as mudanças intencionais são feitas para os fatores de
entrada de um processo ou sistema, de forma que se possa observar e identificar as razões
para as mudanças na resposta de saída (MONTGOMERY, 2005).
Em geral, os experimentos são usados para estudar o desempenho de processos e
sistemas. Pode-se visualizar o processo normalmente como uma combinação de máquinas,
métodos, pessoas e outros recursos, que transforma alguma entrada (geralmente, um material)
em uma saída e que tem uma ou mais respostas observáveis (MONTGOMERY, 2005). O
processo, ou sistema, pode ser representado pelo modelo mostrado na Figura 3-16.
48
Figura 3-16 - Modelo Geral de um processo ou sistema.
Fonte: Montgomery (2005).
O planejamento de experimento é constituído de um conjunto de técnicas estatísticas
que proporcionam um método estruturado para planejar, executar e analisar os experimentos.
Ele é usado para determinar qual a melhor combinação de variáveis para a obtenção da
resposta desejada (MONTGOMERY, 1997). O DOE originou-se por volta de 1920, quando
Sir Ronald A. Fisher, um cientista britânico, estudou e propôs uma abordagem mais
sistemática, a fim de maximizar o conhecimento adquirido, a partir de dados experimentais.
Seu objetivo principal era determinar a luz do sol melhor, a qualidade da água, a quantidade
de fertilizantes e solo subjacente à condição necessária para produzir a melhor colheita
(ROWLANDS; ANTONY, 2003). Antes de seus estudos, a abordagem tradicional era para
testar um fator em um tempo durante a fase experimental. O primeiro fator é movido,
enquanto os outros fatores se mantêm constantes. Em seguida, o próximo fator é examinado, e
assim por diante.
O uso original do DOE, planejado por Fischer, refere-se a métodos utilizados para obter
as informações mais relevantes e significativas a partir de um banco de dados de
experimentos, que fazem o menor número possível de experiências. O método proposto por
Fisher, para a realização de experiências, eliminou as observações redundantes e reduziu o
número de testes, a fim de proporcionar informações sobre as interações importantes entre as
variáveis.
A abordagem DOE tornou-se essencial para determinar e examinar o comportamento da
função objetivo e identificar quais fatores são mais significativos. A influência dos fatores
experimentais pode ser subdividida em diversos ramos, como: determinar que variáveis
influenciam mais nos resultados, atribuir valores às variações influentes para otimizar o
processo ou para minimizar a variabilidade dos resultados, além de poder minimizar a
influência de variáveis não-controláveis (BUTTON, 2001).
49
O planejamento de experimento (DOE) é um Delineamento Inteiramente Casualizado
(DIC). Nesse delineamento, é necessária a completa homogeneidade das condições
ambientais e do material experimental, sendo os tratamentos distribuídos nas parcelas de
forma inteiramente casual (aleatória). O DOE possui apenas os princípios da casualização e
da repetição, não possuindo controle local e, portanto, as repetições não são organizadas em
blocos. Tem a vantagem de possuir grande flexibilidade quanto ao número de tratamentos e
repetições, sendo dependente, entretanto, da quantidade de material e da área experimental
disponível.
Dessa forma, foi empregado o planejamento fatorial de experimentos, indicado quando
vários fatores devem ser estudados em dois ou mais níveis e as interações entre os fatores
podem ser importantes. Neste trabalho, de acordo com os objetivos, foi utilizado o modelo de
planejamento fatorial de experimentos com três fatores controláveis, as variáveis de entrada,
para o processo de roscamento por conformação:
 Velocidade de deformação: 4,60 m/min, 9,15 m/min e 18,30 m/min;
 Posição de medição: Início, meio e final;
 Diâmetro: 10,85 mm, 11 mm e 11,15 mm.
 As variáveis de entrada para o processo de roscamento por usinagem foram:
 Velocidade de usinagem: 19,40 m/min, 29,13 m/min e 38,83 m/min;
O modelo estatístico linear para o processo de roscamento por conformação é dado por:
ijkl
=µ+
i
+
j
+
k
+ ( )ij + ( )ik + ( )jk + (
)ijk +
(1),
ijkl
onde: i = 1, 2, 3 (níveis da velocidade de deformação), j = 1, 2, 3 (níveis da posição de
medição), k = 1, 2, 3 (níveis do diâmetro) e l = 1, 2, 3 (número de réplicas).
ijkl
resposta (saída), µ é a média global das respostas de todos os tratamentos,
i
efeito do fator velocidade de deformação,
j
i e k,
interação entre i, j e k, e
ijkl é
representa o
representa o efeito da posição de medição,
representa o efeito do fator diâmetro, ( )ij representa o efeito da interação entre
o efeito da interação entre
é a variável
( )jk é o efeito da interação entre
j e k,
(
ie
j,
k
( )ik é
)ijk é o efeito da
o modelo matemático do erro aleatório.
O modelo estatístico linear para o processo de roscamento por usinagem é dado por:
ijl
=µ+
i
+
j
+ ( )ij +
ijl
(2),
50
onde: i = 1, 2, 3 (níveis da velocidade de usinagem), j = 1, 2, 3 (níveis da posição de medição)
e l = 1, 2, 3 (número de réplicas).
respostas de todos os tratamentos,
ijkl
i
é a variável resposta (saída), µ é a média global das
representa o efeito do fator velocidade de usinagem,
representa o efeito da posição de medição, ( )ij representa o efeito da interação entre
ijkl é
ie
j,
j
e
o modelo matemático do erro aleatório.
A temperatura ambiente, o tipo de material e a velocidade de retorno da ferramenta
foram mantidos constantes nos testes experimentais. O planejamento fatorial adequado às
condições experimentais deste trabalho é do tipo 3k, exibindo experimentos de três níveis,
onde “k” corresponde ao número de fatores experimentais.
A Tabela 3-6 mostra os fatores e níveis experimentais investigados para o roscamento
externo por conformação, estabelecendo um planejamento fatorial completo do tipo 33 com
três repetições, resultando em um arranjo experimental com 27 combinações experimentais
distintas.
51
Tabela 3-6 - Arranjo experimental do planejamento fatorial completo 3³ para o
processo de roscamento por conformação.
Condições
Experimentais
Velocidade de deformação
[m/min]
Posição de
medição
Diâmetro
[mm]
C1
9,15
Final
10,85
C2
18,3
Início
11
C3
9,15
Início
10,85
C4
18,3
Meio
11,15
C5
18,3
Meio
11
C6
18,3
Meio
10,85
C7
9,15
Início
11,15
C8
18,3
Início
10,85
C9
4,6
Meio
11,15
C10
4,6
Meio
10,85
C11
4,6
Início
10,85
C12
4,6
Final
11,15
C13
9,15
Meio
11,15
C14
4,6
Início
11,15
C15
4,6
Início
11
C16
9,15
Final
11
C17
9,15
Final
11,15
C18
9,15
Meio
10,85
C19
4,6
Meio
11
C20
4,6
Final
10,85
C21
18,3
Final
10,85
C22
9,15
Início
11
C23
18,3
Início
11,15
C24
18,3
Final
11
C25
4,6
Final
11
C26
18,3
Final
11,15
9,15
Meio
11
C27
Fonte: Autoria Própria.
52
A Tabela 3-7 mostra os fatores e níveis experimentais investigados para o roscamento
externo por usinagem, com um planejamento fatorial completo do tipo 3 2 com três réplicas,
resultando em um arranjo experimental com nove combinações experimentais distintas.
Tabela 3-7 - Arranjo experimental do planejamento fatorial completo 3² para o
processo de roscamento por usinagem.
Condições
experimentais
Velocidade de usinagem
[m/min]
Posição de
medição
C1
38,83
Início
C2
38,83
Meio
C3
19,4
Início
C4
38,83
Final
C5
29,13
Início
C6
29,13
Final
C7
19,4
Final
C8
29,13
Meio
19,4
Meio
C9
Fonte: Autoria Própria.
Considerando a adoção de três réplicas para cada condição, o processo experimental
consistiu em 81 ensaios para o roscamento por conformação e 27 ensaios para o roscamento
por usinagem pelo planejamento fatorial completo, o que gera populações amostrais
uniformemente distribuídas em todo espaço amostral possível (Figura 3-17).
A repetição consiste na repetição da condição experimental, proporcionando a
estimativa do erro experimental de uma resposta individual. A extensão desse erro é
importante na decisão se existem ou não efeitos significativos que possam ser atribuídos à
ação dos fatores (WERKEMA; AGUIAR, 1996).
53
Figura 3-17 - Espaço 3-Dimensional do Planejamento Experimental. Alguns DOE são
muito bem estruturados, enquanto outros são apenas uma nuvem de pontos. A escolha
do método estatístico depende do número de amostras e do tipo de investigação.
Fonte: Esteco (2012).
Levando em consideração a complexidade dos cálculos envolvidos no planejamento
fatorial, o programa computacional estatístico MinitabTM versão 14 e o software
modeFRONTIER® foram utilizados para a manipulação dos dados e a análise dos resultados.
A técnica estatística utilizada para análise dos dados foi a Análise de Variância (ANOVA –
Analysis of Variance). Na Análise de Variância, avalia-se a influência exercida por dois ou
mais fatores de um processo sobre uma característica da qualidade de interesse
(MONTGOMERY, 2005). A análise de variância para dois ou mais fatores permite que seja
avaliada a interação entre eles. A hipótese nula (H0) é que todas as médias são iguais,
enquanto a hipótese alternativa (Ha) considera que pelo menos uma média é diferente:
H0: µx - µy = 0
(3)
Ha: µx - µy≠ 0
(4)
Na aplicação da análise de variância, pressupõe-se que as amostras são extraídas a partir
de populações independentes, descritas por uma distribuição normal, e que o desvio padrão ou
variações das populações são iguais:
54
 Distribuição normal: utiliza-se o teste de normalidade de Anderson-Darling, exibindo
um gráfico de distribuição normal e/ou um histograma de resíduos;
 Independência: representa-se um gráfico sequencial para os resíduos considerando a
ordem de realização dos ensaios;
 Variância constante: apresenta-se o gráfico de resíduos versus valores ajustados.
O modelo estatístico linear para o processo de roscamento por conformação para a
resposta de microindentação é dado por:
ijkl
=µ+
i
+
j
+
k
+ ( )ij + ( )ik + ( )jk + (
)ijk +
(5),
ijkl
onde: i = 1, 2, 3 (níveis da velocidade de deformação), j = 1, 2, 3 (níveis da posição de
medição), k = 1, 2, 3 (níveis do diâmetro inicial) e l = 1, 2, 3 (número de réplicas).
ijkl
éa
variável resposta (saída), µ é a média global das respostas de todos os tratamentos,
i
representa o efeito do fator velocidade de deformação,
medição,
i
(
e
j,
k
j
representa o efeito da posição de
representa o efeito do fator diâmetro, ( )ij representa o efeito da interação entre
( )ik é o efeito da interação entre
)ijk é o efeito da interação entre i,
j
i
e
e k, e
k,
ijkl
( )jk é o efeito da interação entre
j
e
k,
é o modelo matemático do erro aleatório.
A Tabela 3-8 mostra os fatores avaliados e os níveis investigados para a
microindentação, variando apenas os níveis da posição de medição, gerando um arranjo
experimental 3³ com três réplicas e resultando em 81 medições.
Tabela 3-8 - Parâmetros para microindentação.
Parâmetros de entrada
Diâmetro [mm]
Velocidade de deformação
[m/min]
Posição de medição
Nível das variáveis de entrada
-1
0
+1
10,85
11
11,15
4,60
9,15
18,30
Crista
Base
Meio
Fonte: Autoria Própria.
A Figura 3-18 exibe os níveis da posição de medição, identificando cada região em um
modelo esquemático.
55
Figura 3-18 - Posição de medição da microdureza.
Fonte: Autoria Própria.
O modelo estatístico linear para o processo de roscamento por usinagem para a resposta
de microindentação é dado por:
ijl
=µ+
i
+
j
+ ( )ij +
(6)
ijl
onde: i = 1, 2, 3 (níveis da velocidade de usinagem), j = 1, 2, 3 (níveis da posição de medição)
e l = 1, 2, 3 (número de réplicas).
respostas de todos os tratamentos,
ijkl
i
é a variável resposta (saída), µ é a média global das
representa o efeito do fator velocidade de usinagem,
representa o efeito da posição de medição, ( )ij representa o efeito da interação entre
ijkl
i
e
j,
j
e
é o modelo matemático do erro aleatório.
A Tabela 13 mostra os fatores avaliados e os níveis investigados da microindentação
para o roscamento por usinagem, variando apenas os níveis da posição de medição, gerando
um arranjo experimental 3² com três réplicas e resultando em 27 medições.
Tabela 3-9 - Parâmetros para microindentação para o processo de roscamento por
usinagem.
Parâmetros de entrada
Velocidade de usinagem
[m/min]
Posição de medição
Fonte: Autoria Própria.
Nível das variáveis de entrada
-1
0
+1
19,40
29,13
38,83
Crista
Base
Meio
56
57
CAPÍTULO 4
4
RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Roscamento por conformação
Tabela 4-1 - Dados de medição rosca conformada.
LAMINAÇÃO
Método de medição
Pos.
RPM 133/ 10,85/Titânio
RPM 265/ 10,85/Titânio
RPM 530/ 10,85/Titânio
R1/01
R2/02
R3/03
R1/04
R2/05
R3/06
R1/07
R2/08
R3/09
Micrometro
I
11,198
11,360
11,335
11,197
11,371
11,349
11,398
11,375
11,383
diâmetro
M
11,200
11,333
11,325
11,169
11,349
11,346
11,373
11,347
11,357
externo
F
11,225
11,328
11,319
11,174
11,337
11,338
11,356
11,341
11,349
I
0,528
0,660
0,671
0,506
0,638
0,550
0,572
0,616
0,605
M
0,462
0,572
0,583
0,517
0,561
0,539
0,583
0,572
0,594
F
0,528
0,561
0,572
0,561
0,572
0,572
0,594
0,583
0,605
Retro projetor
Método de medição
Pos.
RPM 133/ 11,00/Titânio
RPM 265/ 11,00/Titânio
RPM 265/ 11,00/Titânio
R1/10
R2/11
R3/12
R1/13
R2/14
R3/15
R1/16
R2/17
R3/18
Micrometro
I
11,541
11,587
11,618
11,575
11,293
11,597
11,593
11,624
11,590
diâmetro
M
11,500
11,567
11,568
11,545
11,318
11,557
11,534
11,563
11,526
externo
F
11,480
11,537
11,543
11,508
11,337
11,523
11,503
11,524
11,514
I
0,660
0,672
0,715
0,671
0,539
0,682
0,682
0,660
0,660
M
0,627
0,660
0,638
0,627
0,550
0,649
0,649
0,638
0,627
F
0,572
0,616
0,594
0,572
0,539
0,605
0,627
0,627
0,616
Retro projetor
Método de medição
Pos.
RPM 133/ 11,15/Titânio
RPM 265/ 11,15/Titânio
RPM530/ 11,15/Titânio
R1/19
R2/20
R3/21
R1/22
R2/23
R3/24
R1/25
R2/26
R3/27
Micrometro
I
11,886
11,918
11,939
11,828
11,884
11,841
11,664
11,794
11,889
diâmetro
M
11,876
11,886
11,898
11,797
11,826
11,807
11,693
11,881
11,877
externo
F
11,834
11,862
11,863
11,791
11,814
11,801
11,705
11,817
11,861
I
0,858
0,825
0,847
0,770
0,825
0,781
0,737
0,803
0,836
M
0,781
0,792
0,803
0,759
0,792
0,770
0,748
0,792
0,792
F
0,759
0,748
0,759
0,748
0,748
0,737
0,715
0,770
0,748
Retro projetor
Fonte: Autoria Própria.
58
4.1.1
Diâmetro do Perfil de rosca conformada.
Os valores das medidas do diâmetro do perfil da rosca externa conformada variaram
entre 11,283 e 11,914 mm. A Figura 4-1 apresenta os gráficos de probabilidade normal para
os resíduos, gráfico de resíduos versus valores ajustados, histograma para os resíduos e
resíduos versus ordem de coleta dos dados para a validação do modelo da análise de variância
(ANOVA).
Figura 4-1 - Resíduos para a média do diâmetro interno do perfil de rosca
conformado: (A) Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C)
Histograma e (D) Resíduos versus ordem dos dados.
Fonte: Autoria Própria.
O gráfico de probabilidade normal e o histograma avaliam a suposição de normalidade.
É importante observar a existência de outliers, que são os pontos distantes da reta de
regressão, podendo representar uma fonte de erro na coleta dos dados. Os pontos distribuídos
uniformemente ao longo da reta e o comportamento, aproximadamente simétrico com média
zero do histograma, atendem às condições de normalidade exigidas para validação do modelo
da ANOVA. A Figura 4-2 mostra o teste de normalidade de Anderson-Darling para o
diâmetro do perfil laminado.
59
Figura 4-2 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para o diâmetro do perfil de
rosca conformado.
Fonte: Autoria Própria.
O “P-valor” superior a 0,05 confirma a densidade normal da variável resposta com 95%
de significância. O gráfico de resíduos versus valores ajustados detecta se a variância do erro
residual é constante, analisando a presença de valores extremos outliers. O gráfico de resíduos
versus ordem dos dados analisa a independência dos resíduos. Os pontos em padrão aleatório,
sem pontos discrepantes em relação ao conjunto de dados, comprovam a homogeneidade e a
independência das amostras.
A Tabela 4-1 mostra os resultados da análise de variância para a média do diâmetro do
perfil de rosca conformado e os principais parâmetros para o cálculo do “P-valor”. A segunda
coluna indica o número de graus de liberdade (DF – Degree of Freedom), a terceira coluna
representa a soma dos quadrados sequencial (Seq SS – Sequential Square Sum) e a quarta, a
soma dos quadrados ajustada (Adj SS – Adjusted Square Sum). Já quinta coluna exibe a
média quadrada ajustada (Adj MS – Adjusted Mean Square), a qual é calculada dividindo a
soma dos quadrados ajustada pelo número de grau de liberdade (Adj SS/DF).
O parâmetro F representa a “relação-F”, calculado, dividindo-se a média quadrada
ajustada de cada fator pela média quadrada ajustada do erro. Finalmente, na última coluna,
são mostrados os “P-valores” que indicam a probabilidade de estes dois elementos (Adj MS
fator e Adj MS error) possuírem o mesmo valor, ou seja, a probabilidade de cada fator não
influenciar o diâmetro do perfil de rosca conformado. Em outras palavras, os valores de “P”
indicam quais efeitos no sistema são estatisticamente significantes, baseando-se nos
resultados experimentais das réplicas 1, 2 e 3. Se o “P-valor” for menor ou igual a α, é
possível concluir que o efeito é significante.
60
Tabela 4-2 - Análise de variância para o diâmetro do perfil de rosca conformado.
Fatores Experimentais
DF
Seq SS
Adj SS
Vel. de deformação
2
0,0351
0,0351
0,01755
3,410
0,040
Pos. de medição
2
0,02162
0,02162
0,01081
2,100
0,132
Diâmetro inicial da haste
2
3,62758
3,62758
1,81379
352,240
0,000
4
0,00031
0,00031
0,00008
0,010
1,000
4
0,07399
0,07399
0,0185
3,590
0,011
4
0,00343
0,00343
0,00086
0,170
0,954
8
0,00804
0,00804
0,00101
0,200
0,990
54
0,27806
0,27806
0,00515
Vel. de deformação*Pos. de
medição
Vel. de deformação*
Diâmetro inicial da haste
Pos. de medição* Diâmetro
inicial da haste
Adj MS
F
P
Vel. de deformação*Pos. de
medição*Diâmetro inicial da
haste
Erro Residual
R²
93,3%
Fonte: Autoria Própria.
O valor de α de 0,05 indica o nível de significância, ou seja, a condição de 95% de
probabilidade de o efeito ser significante. O valor de R² (adj) exibido na ANOVA mede a
proporção da variabilidade presente nas observações da variável resposta y, que é explicada
pelas variáveis preditoras presentes na equação de regressão. Quanto mais próximo de 1 (ou
de 100%) for R², melhor a qualidade da equação ajustada aos dados (MONTGOMERY,
1997).
Os fatores relacionados a P-valor inferior ou igual a 0,05 são considerados
significativos. Os P-valores 0,040; 0,000 e 0,011, sublinhados na Tabela 4-2, mostram que os
fatores principais “velocidade de deformação” e “diâmetro” e a interação “velocidade de
deformação” e “diâmetro” foram influentes na medida do diâmetro do perfil da rosca
conformada. O valor de R² ajustado (93,3%) indica que o ajuste do modelo foi satisfatório.
O fato de um efeito não ser significativo em um experimento não implica
necessariamente que esse fator particular não seja importante. Significa apenas que a resposta
não é afetada por esse fator na faixa de valores pesquisada. Pode ser que um fator seja muito
relevante, mas que uma variação muito pequena nos níveis não acarrete nenhum efeito na
resposta (DRUMOND et al., 1993).
61
Um “efeito principal” está presente quando diferentes níveis do fator afetam a resposta
diferentemente e a “interação” existe quando a variação da média da resposta depende do
nível de um segundo fator. O efeito principal de um fator deve ser interpretado
individualmente apenas se não há evidência de que o fator não interage com outros fatores.
Quando um ou mais efeitos de interação são significativos, os fatores que interagem devem
ser considerados conjuntamente (DRUMOND et al., 1993).
Segundo Werkema e Aguiar (1996), se uma interação de ordem mais elevada for
significativa e o efeito principal também for, não faz sentido a interpretação do efeito
principal isolado, já que o fator depende do nível que está no outro fator. Dessa forma,
somente a interação velocidade de deformação e diâmetro será exibida (Figura 4-3). Gráficos
de interações são usados para visualização do efeito de interação de dois ou mais fatores
experimentais sobre a variável resposta e a comparação da significância relativa entre os
efeitos (WERKEMA; AGUIAR, 1996). A Figura 4-3 mostra a interação dos fatores
velocidade de deformação e diâmetro para o diâmetro do perfil de rosca conformado.
Figura 4-3 - Interação para a variável resposta diâmetro do perfil da rosca
conformado.
Fonte: Autoria Própria.
A redução da velocidade de deformação gerou uma variação de 5% do diâmetro do
perfil laminado para os diâmetros iniciais de 10,85; 11 e 11,15 mm. Já a variação dos níveis
de velocidade de deformação para o processo de roscamento apresentou um comportamento
distinto para cada diâmetro inicial da haste. Pode-se definir que esse comportamento foi
devido à inércia de deformação: para diâmetros iniciais menores, altas velocidades
promoveram diâmetros maiores e, para diâmetros maiores, menores velocidades formaram
diâmetros maiores.
62
O aumento dos diâmetros do perfil da rosca conformada ocorre com a redução da
velocidade de deformação à medida que o diâmetro inicial da haste de Ti-6Al-4V aumenta. A
diferença percentual do diâmetro conformado entre a maior e a menor velocidade de
deformação não é relevante, aproximadamente 0,75%. Observa-se que os diâmetros menores
das hastes apresentam maiores perfis de rosca com o aumento da velocidade de deformação.
4.1.2
Diferença de altura do filete de rosca (H)
Os valores das medidas H (altura do filete de rosca) variaram entre 0,462 e 0,858 mm.
A Tabela 4-3 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média da
variável resposta H, encontrando-se sublinhados os P-valores menores ou iguais a 0,05,
considerados significativos em um nível de 95% de significância. O valor de R² ajustado de
90,77% indica que o modelo se ajustou adequadamente aos resultados da altura do filete H
obtidos.
Tabela 4-3 - Análise de variância para a altura do filete H.
Fatores Experimentais
DF
Seq SS
Adj SS
Adj MS
F
P
Vel. de deformação
2
0,011302
0,011302
0,005651
4,3900
0,017
Pos. de medição
2
0,033584
0,033584
0,016792
13,040
0,000
Diâmetro inicial da haste
2
0,614608
0,614608
0,307304
238,65
0,000
4
0,007493
0,007493
0,001873
1,4500
0,229
4
0,006597
0,006597
0,001649
1,2800
0,289
4
0,008784
0,008784
0,002196
1,7100
0,162
8
0,001793
0,001793
0,000224
0,1700
0,994
54
0,069535
0,069535
0,001288
Vel. de deformação*Pos. de
medição
Vel.
de
deformação*
Diâmetro inicial da haste
Pos. de medição* Diâmetro
inicial da haste
Vel. de deformação*Pos. de
medição*Diâmetro
inicial
da haste
Erro Residual
R²
Fonte: Autoria Própria.
90,77%
63
A Figura 4-4 apresenta os gráficos de probabilidade normal para os resíduos, gráfico de
resíduos versus valores ajustados, histograma para os resíduos e resíduos versus ordem de
coleta dos dados para a validação do modelo da análise de variância (ANOVA).
Figura 4-4 - Resíduos para a média do diâmetro do perfil de rosca conformado: (A)
Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados.
Fonte: Autoria Própria.
Os gráficos de resíduos para a média da altura dos filetes H exibidos na Figura 4-4
apresentaram um comportamento que atende às condições de normalidade exigidas para a
validação do modelo de análise de variância:
 Distribuição normal com média próxima a zero representada pelo gráfico de
probabilidade normal dos resíduos, histograma dos resíduos e pelo P-valor superior a
0,05, exibido pelo teste de normalidade de Anderson-Darling;
 Variância constante (Gráfico de resíduos versus valores ajustados);
 Independência e homogeneidade (Gráficos resíduos versus a ordem de observação dos
dados).
A Figura 4-5 apresenta o teste de normalidade de Anderson-Darling para a suposição de
distribuição normal para altura do filete H.
64
Figura 4-5 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para o diâmetro do perfil de
rosca conformado.
Fonte: Autoria Própria.
A Figura 4-6 exibe o gráfico de efeito principal da velocidade de deformação sobre a
altura do filete H. Os gráficos de efeitos principais apresentam uma melhor visualização dos
efeitos de cada um dos fatores envolvidos na Análise de Variância (ANOVA), investigando
quais variáveis controláveis possuem efeito significativo nas variáveis respostas. Como as
interações não foram significativas ilustram-se os efeitos principais dos fatores experimentais.
Figura 4-6 - Efeito principal do fator velocidade de deformação
sobre altura do perfil H.
Fonte: Autoria Própria.
65
O aumento da velocidade de deformação de 4,60 para 9,15 m/min proporcionou uma
redução de 3,77% na altura do filete H, enquanto no intervalo de 9,15-18,30 m/min ocorreu
um aumento de 3,71%. Observa-se que as velocidades de deformação mais baixa e mais alta
apresentaram uma linearidade, com valores médios da altura do filete aproximadamente
iguais. Logo, para que ocorra uma boa formação do filete e compressão do material, são
necessárias velocidades de deformação médias próximas a 9,15 m/min.
A posição de medição afeta diretamente a altura do perfil de rosca H. Ao alterar a faixa
de medida do início para o final, a altura do filete sofre uma redução de 0,687(7) mm para
0,638(8) mm, representando um decréscimo gradual de 7,11%. Esse comportamento confirma
a influência da posição de medição na média (Figura 4-7). Define-se a priori que essa
diferença ocorre devido ao tempo de contato com a pressão do rolo laminador, necessário para
uma boa formação e escoamento do material na formação do filete.
Existem sistemas de laminação que compactam a rosca por inteiro e que devem ser
utilizados nesse caso com intuito de minimizar, ou até extinguir, esse fator. Porém, deve-se
levar em conta o comprimento da rosca inferior ao comprimento do rolo ou placa laminador.
Figura 4-7 - Efeito principal do fator posição de medição
para altura do filete de rosca H.
Fonte: Autoria Própria.
O aumento do diâmetro inicial proporciona um acréscimo significativo de 26,45% na
altura do perfil de rosca H, conforme observado no gráfico de efeito principal exibido pela
Figura 4-8. Pode-se observar que a recuperação elástica do material à compressão foi alta,
formando duas retas com ângulos diferentes, sendo de 11,00 a 11,15 mm com inclinação
66
superior. O tipo de filete em forma de triângulo prevê menos material para a formação dos
diâmetros superiores. Contudo, deduz-se que o uso de grandes diâmetros para promover a
compactação do material não seria possível devido a uma recuperação elástica elevada do
material.
Figura 4-8 - Efeito principal do fator diâmetro sobre altura do filete H.
Fonte: Autoria Própria.
4.2 Roscamento por usinagem
Tabela 4-4 - Dados de medição rosca usinada.
USINAGEM
Método de
medição
Pos.
RPM 530 Titânio
RPM 1061 Titânio
RPM 796 Titânio
R1/01
R2/02
R3/03
R1/04
R2/05
R3/06
R1/07
R2/08
R3/09
Micrometro
I
11,929
11,943
11,943
12,130
12,135
12,064
12,022
12,091
12,024
diâmetro
M
11,914
11,926
11,918
12,063
12,085
12,084
12,027
12,033
12,009
externo
F
11,881
11,893
11,904
11,995
12,010
11,998
11,946
11,980
11,982
I
0,990
1,001
1,034
0,989
0,979
1,023
1,045
1,044
1,055
M
0,913
1,012
1,044
1,023
0,990
1,033
1,055
1,033
1,022
F
0,968
0,990
1,000
1,001
0,989
0,990
1,033
1,012
1,034
Retro projetor
Fonte: Autoria Própria.
4.2.1
Diâmetro externo do Perfil de rosca usinado
Os valores das medidas do diâmetro externo do perfil de rosca usinado variaram entre
11,881 e 12,135 mm. A Tabela 4-5 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA)
67
para a média do diâmetro externo do perfil de rosca usinado, encontrando-se sublinhados os
P-valores menores ou iguais a 0,05, que são considerados significativos em um nível de 95%
de significância.
Tabela 4-5 - Análise de variância para o diâmetro externo do perfil de rosca usinado.
Fatores Experimentais
DF
Seq SS
Adj SS
Adj MS
F
P
Vel. de usinagem
2
0,098935
0,098935
0,049467
107,790
0,000
Pos. de medição
2
0,027743
0,027743
0,013871
30,230
0,000
4
0,003316
0,003316
0,000829
1,810
0,172
18
0,008261
0,008261
0,000459
Vel. de usinagem * Pos.
de medição
Erro Residual
R²
94,03%
Fonte: Autoria Própria.
Os gráficos de probabilidade normal para os resíduos, gráfico de resíduos versus valores
ajustados, histograma para os resíduos, resíduos versus ordem de coleta dos dados (Figura
4-9) e normalização de Anderson-Darling (Figura 4-10), apresentaram um comportamento
que atende às condições de normalidade exigidas para a validação do modelo de análise de
variância:
 Distribuição normal com média próxima a zero representada pelo gráfico de
probabilidade normal dos resíduos, histograma dos resíduos e pelo P-valor superior a
0,05, exibido pelo teste de normalidade de Anderson-Darling;
 Variância constante (Gráfico de resíduos versus valores ajustados);
 Independência e homogeneidade (Gráficos resíduos versus a ordem de observação dos
dados).
68
Figura 4-9 - Resíduos para a média do diâmetro externo do perfil de rosca usinada:
(A) Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados.
Fonte: Autoria Própria.
Figura 4-10 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para validação do modelo
da análise de variância – diâmetro externo do perfil usinado.
Fonte: Autoria Própria.
A Figura 4-11exibe o efeito da velocidade de usinagem no diâmetro externo do perfil de
rosca usinado. Observa-se que maior nível de velocidade promove a obtenção de maiores
diâmetros para o perfil de rosca usinado. O aumento da velocidade de usinagem gera um
acréscimo gradual de 1,21% no diâmetro do perfil usinado.
69
Figura 4-11 - Efeito principal do fator velocidade de usinagem sobre o diâmetro
externo do perfil de rosca usinado.
Fonte: Autoria Própria.
O aumento do diâmetro pelo uso da velocidade de corte mais alta reforça a afirmativa
de alta recuperação elástica do material que, devido à rápida passagem da ferramenta, não
efetuou o corte de maneira efetiva por causa da recuperação elástica do material. A posição
inicial de medição exibe diâmetros externos superiores à posição do meio e final. A diferença
percentual dos diâmetros externos existente entre a posição inicial e final é de
aproximadamente 0,63% (Figura 4-12).
Figura 4-12 - Gráfico de efeito principal do fator experimental posição de medição.
Fonte: Autoria Própria.
Como se pode observar no gráfico, mesmo com um pequeno balanço devido à fixação
da ferramenta (que influencia na área usinada), a alta recuperação elástica do material
70
promoveu, no ponto mais próximo da placa de fixação, que corresponde à parte final da
medição, valores de diâmetros menores. Dessa forma, a flexão e a alta recuperação elástica
foram responsáveis por esse resultado. Com o intuito de minimizar esse fator, deve-se utilizar
o contraponto auxiliar do cabeçote móvel do equipamento para proporcionar uma rigidez
maior no sistema.
4.2.2
Altura do filete H
Os valores experimentais para a altura do filete H variaram entre 0,913 e 1,055 mm. A
Tabela 4-6 mostra os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média desse valor,
encontrando-se sublinhados os P-valores menores ou iguais a 0,05, que são considerados
significativos em um nível de 95% de significância. O valor de 85,42 do R² ajustado indica
que o ajuste do modelo foi satisfatório.
Tabela 4-6 - Análise de variância para a altura do filete H.
Fatores Experimentais
DF
Seq SS
Adj SS
Adj MS
F
P
Vel. de usinagem
2
0,009231
0,009231
0,004616
5,92
0,011
Pos. de medição
Vel. de usinagem * Pos.
de medição
Erro Residual
2
0,001235
0,001235
0,000617
0,79
0,468
4
0,001164
0,001164
0,000291
0,37
0,824
18
0,014026
0,014026
0,000779
R²
Fonte: Autoria Própria.
85,42%
A Figura 4-13 e Figura 4-14, respectivamente mostra os gráficos de probabilidade
normal para os resíduos, gráfico de resíduos versus valores ajustados, histograma para os
resíduos, resíduos versus ordem de coleta dos dados e teste de normalidade de AndersonDarling para a validação do modelo da Análise de Variância:
 Distribuição normal com média próxima a zero representada pelo gráfico de
probabilidade normal dos resíduos, histograma dos resíduos e pelo P-valor superior a
0,05, exibido pelo teste de normalidade de Anderson-Darling;
 Variância constante (Gráfico de resíduos versus valores ajustados);
 Independência e homogeneidade (Gráficos resíduos versus a ordem de observação dos
dados).
71
Figura 4-13 - Resíduos para a média da altura do filete H rosca usinada: (A)
Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados.
Fonte: Autoria Própria.
Figura 4-14 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para validação do modelo
da análise de variância – altura do filete H rosca usinada.
Fonte: Autoria Própria.
A Figura 4-15 mostra o efeito da velocidade de usinagem sobre a média da altura do
filete H. O nível intermediário da velocidade de usinagem 29,13 m/min apresenta maiores
alturas do perfil de rosca. As diferenças percentuais das alturas dos filetes no intervalo de
72
velocidade de 19,40 a 29,13 m/min e 29,13 a 38,83 m/min são 4,08% e 3,86%,
respectivamente.
Figura 4-15 - Efeitos principais da velocidade de corte sobre a média
da altura do filete H.
Fonte: Autoria Própria.
Podemos observar no gráfico que, para o corte ideal do filete, é necessária uma
velocidade média próxima a 29,13 m/min, pois altas e baixas velocidades de corte
promoveram alturas menores para o filete.
4.3 Microindentação no roscamento por conformação
As microindentações no roscamento por conformação do titânio variaram entre 303 e
385 Hv. A Tabela 4-7 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média
das medidas de dureza Hv, encontrando-se sublinhados os P-valores menores ou iguais a 0,05,
considerados significativos em um nível de 95% de significância. O valor de R² ajustado de
83,76% indica que o modelo se ajustou adequadamente aos resultados obtidos. Observa-se
que a velocidade de deformação, a posição de medição e as interações entre a velocidade de
deformação com o diâmetro e a velocidade de deformação com a posição tiveram influência
sobre a resposta da microindentação.
73
Tabela 4-7 - Análise de variância para a média das microindentações.
Fatores Experimentais
DF
Seq SS
Adj SS
Adj MS
F
P
Vel. de deformação
2
5842,7
5842,7
2921,3
24,50
0,000
Diâmetro inicial
2
213,1
213,1
106,5
0,89
0,415
Posição de medição
2
5746,4
5746,4
2873,2
24,09
0,000
Vel*Diâmetro
4
2447,5
2447,5
611,9
5,13
0,001
Vel*Posição
4
2036,9
2036,9
509,2
4,27
0,004
Diâmetro*Posição
4
609,4
609,4
152,3
1,28
0,290
Vel*Diâ*Pos
8
565,8
565,8
70,7
0,59
0,779
54
6440
6440
119,3
Erro Residual
R²
83,76%
Fonte: Autoria Própria.
A Figura 4-16 apresenta os gráficos de probabilidade normal para os resíduos, gráfico
de resíduos versus valores ajustados, histograma para os resíduos e resíduos versus ordem de
coleta dos dados para a validação do modelo da análise de variância (ANOVA).
Figura 4-16 - Resíduos para a média do diâmetro do perfil de rosca conformado: (A)
Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados.
Fonte: Autoria Própria.
A Figura 4-17 apresenta o teste de normalidade de Anderson-Darling para a distribuição
normal para as microindentações.
74
Figura 4-17 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para validação do modelo
da análise de variância – microindentação rosca conformada.
Fonte: Autoria Própria.
Os gráficos de resíduos para a média da dureza Hv exibidos na Figura 4-17
apresentaram um comportamento que atende às condições de normalidade exigidas para a
validação do modelo de análise de variância:
 Distribuição normal com média próxima a zero representada pelo gráfico de
probabilidade normal dos resíduos, histograma dos resíduos e pelo P-valor superior a
0,05, exibido pelo teste de normalidade de Anderson-Darling;
 Variância constante (Gráfico de resíduos versus valores ajustados);
 Independência e homogeneidade (Gráficos resíduos versus a ordem de observação dos
dados).
Segundo Werkema e Aguiar (1996), se uma interação de ordem mais elevada for
significativa e o efeito principal também for, não faz sentido a interpretação do efeito
principal isolado, já que o fator depende do nível que está no outro fator. Dessa forma,
somente as interações velocidade de deformação e diâmetro e velocidade de deformação e
posição de medição serão exibidas (Figura 4-18).
A Figura 4-18 exibe a interação dos fatores velocidade de deformação e diâmetro para o
diâmetro do perfil de rosca conformado.
75
Figura 4-18 - Interação velocidade de deformação x diâmetro inicial para a média da
microindentação.
Fonte: Autoria Própria.
Observa-se que é necessária uma velocidade intermediária de deformação para que
exista tempo de ocorrer a compactação do material. Assim, menores velocidades não
promoveram a compactação devido à falta de inércia da compactação, e altas velocidades
devido ao baixo tempo de contato e alta recuperação elástica do material também não ajudam
na compactação.
O aumento da velocidade de deformação gerou uma variação de 6,78; 9,48 e 2,06% da
dureza Hv para os diâmetros de 10,85; 11,00 e 11,15 mm, respectivamente. A variação dos
níveis de velocidade de deformação para o processo de laminação apresentou um
comportamento distinto para cada diâmetro inicial da haste de titânio, apresentando um pico
significativo para o diâmetro de 11 mm e velocidade de deformação de 9,15 m/min.
Observa-se que, para a menor velocidade de deformação, menores diâmetros resultaram
em maior dureza Hv. Entretanto, para diâmetros maiores, aconselha-se o emprego de maior
rotação. Isso ocorre devido ao fato de o cabeçote laminador ser parametrizado com rotações
constantes. Dessa forma, não se pode prever o mecanismo em função da velocidade de
deformação. Portanto, sugere-se que a variação do diâmetro da rosca terá influência direta na
rotação e, consequentemente, na velocidade de deformação. Assim, ajustes na rotação em
função do diâmetro a ser roscado e da velocidade que se deseja utilizar devem ser previstos. A
Figura 4-19 exibe a interação dos fatores velocidade de deformação e posição de medição
para a média da microindentação Hv.
76
Figura 4-19 - Interação velocidade de deformação x posição de medição para a média
das microindentações.
Fonte: Autoria Própria.
O aumento da velocidade de deformação resultou em uma redução de 5,06% e 3,98%,
respectivamente, na dureza Hv da crista e na base da rosca. A diferença percentual das
microdurezas entre a maior e a menor velocidade de deformação na região do meio foi
aproximadamente 9,57%. Observa-se que as maiores durezas Hv estão na região central. Para
a maior velocidade de deformação (18,30 m/min), a base da rosca foi a região com maior
dureza Hv, diferentemente das velocidades de 4,60 e 9,15 m/min, demonstrando uma
tendência de que maiores velocidades acarretam maiores durezas na base da rosca. Contudo,
altas velocidades não foram ideais para a compactação do material e para promover a redução
da dureza no meio do parafuso devido ao esforço de laminação.
4.4 Microindentação no roscamento por usinagem
As microindentações no roscamento por usinagem do titânio variaram entre 303 e 385
Hv. A Tabela 4-8 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média das
medidas de dureza Hv, encontrando-se sublinhados os P-valores menores ou iguais a 0,05,
considerados significativos em um nível de 95% de significância. O valor de R² ajustado de
81,10% indica que o modelo se ajustou adequadamente aos resultados obtidos.
77
Tabela 4-8 - Análise de variância para a média das microindentações.
Fatores Experimentais
DF
Seq SS
Adj SS
Adj MS
F
P
Vel. de deformação
2
126
126
63
0,64
0,540
Diâmetro inicial
2
3174,89
3174,89
1587,44
16,05
0,000
Vel*Posição
4
1079,11
1079,11
269,78
2,73
0,062
18
1780
1780
98,89
Erro Residual
R²
81,10%
A Figura 4-20 apresenta os gráficos de probabilidade normal para os resíduos, gráfico
de resíduos versus valores ajustados, histograma para os resíduos e resíduos versus ordem de
coleta dos dados para a validação do modelo da análise de variância (ANOVA).
Figura 4-20 - Resíduos para a média do diâmetro do perfil de rosca conformado: (A)
Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)
Resíduos versus ordem dos dados.
Fonte: Autoria Própria.
A Figura 4-21 apresenta o teste de normalidade de Anderson-Darling para a suposição
de distribuição normal para as microindentações.
78
Figura 4-21 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para validação do modelo
da análise de variância – microindentação rosca usinada.
Fonte: Autoria Própria.
Os gráficos de resíduos para a média da dureza Hv exibidos na Figura 4-21
apresentaram um comportamento que atende às condições de normalidade exigidas para a
validação do modelo de análise de variância:
 Distribuição normal com média próxima à zero representada pelo gráfico de
probabilidade normal dos resíduos, histograma dos resíduos e pelo P-valor superior a
0,05, exibido pelo teste de normalidade de Anderson-Darling;
 Variância constante (Gráfico de resíduos versus valores ajustados);
 Independência e homogeneidade (Gráficos resíduos versus a ordem de observação dos
dados).
A Figura 4-22 mostra o efeito principal da posição de medição para a média da
microindentação Hv para o processo de roscamento por usinagem. Observa-se que a região da
crista da rosca apresentou menor dureza Hv que as regiões centrais e da base, que
apresentaram aproximadamente médias similares. A diferença percentual das microdurezas
entre a região da crista e a região central foi 6,68%. Acredita-se que essa diferença se deu
devido ao corte e movimentação estrutural no material promovido pelo esforço de corte da
ferramenta.
79
Figura 4-22 - Efeito principal da posição de medição sobre a média das microdurezas.
Fonte: Autoria Própria.
4.5 Análise da microestrutura
Para a análise da microestrutura do material, foi selecionada uma amostra de cada
processo, usinado e conformado. A Figura 4-23 mostra a fotografia retirada por microscópio
ótico da amostra conformada, diâmetro inicial 11,00 mm e 265 rpm. Observa-se a existência
de adensamento da microestrutura do material, que é uma das características da rosca
laminada.
Segundo Emuge (2010), na rosca por laminação pode acontecer uma deformação visível
da estrutura do material conforme pode ser observado na Figura 4-23. Isso ocorre devido à
deformação na área do fundo da rosca, assim como na área perto do flanco da rosca, que é
resultado do encruamento do material. Adicionalmente, movimenta-se um volume do material
devido ao formato do raio no fundo da rosca, o que pode gerar uma concentração de tensão.
Dessa forma, esse fenômeno provoca uma redução do efeito entalhadura no material
laminado, aumentando, assim, a sua resistência quando submetido a cargas dinâmicas.
80
Encruamento dos grãos do
material devido a laminação
das roscas
Figura 4-23 - Fotografia de microscópio ótico amostra conformada.
Fonte: Autoria Própria.
A Figura 4-24 mostra uma fotografia retirada com a ajuda de um microscópio ótico com
uma amostra usinada com rotação de 796 rpm. Pode-se perceber a uniformidade da
microestrutura do material. Logo, pode-se afirmar que não ocorreu adensamento da
microestrutura do material para as roscas usinadas.
Uniformidade dos grãos do
material
Figura 4-24 - Fotografia de microscópio ótico amostra usinada.
Fonte: Autoria Própria.
81
CAPÍTULO 5
5
CONCLUSÕES
Baseado nos dados e nas análises dos resultados realizadas neste trabalho, pode-se
concluir que:
- O processo de laminação de roscas, considerando-se o diâmetro e a altura do perfil
“H”, mostrou que a velocidade de deformação e o diâmetro inicial da haste são os fatores que
mais têm significância. Para a velocidade de deformação, existe um ponto ideal intermediário,
onde a inércia de conformação provoca o melhor encruamento dos grãos e,
consequentemente, uma geração de perfis mais bem formados.
- O diâmetro inicial é o fator mais relevante para a formação do diâmetro. A alta
recuperação elástica do material pode ser confirmada em grandes diâmetros, onde não houve
redução do diâmetro da rosca. Pode-se observar também que o método aplicado para a
laminação não é o ideal devido à diferença entre início, meio e fim na altura do perfil “H”.
Pode-se, dessa forma, constatar o encruamento dos grãos do material e a melhoria da
qualidade do perfil da rosca, o que resulta em uma rosca mais resistente.
- Os dados obtidos no processo de usinagem da rosca mostraram, pela análise do
diâmetro e altura do perfil de rosca, que existe uma alta recuperação elástica do material. Isso
pode ser evidenciado pelo pequeno balanço do material na fixação dos corpos de prova
durante o processo ser significativo para influenciar as medidas no início, meio e final da
amostra. Portanto, considerando-se a diferença gerada pela velocidade de corte, deve-se usar
os níveis intermediários com o intuito de usinar o perfil com melhor qualidade.
Dessa forma, pode-se concluir que o processo de roscamento por laminação formou
perfis de rosca com mais qualidade, o que gera um encruamento na estrutura cristalina do
material, podendo, em alguns casos, aumentar sua resistência.
82
83
REFERÊNCIAS
ARAÚJO, A. C.; SILVEIRA, J. L.; KAPOOR, S. Force prediction in thread milling.
Annals of II Brazilian Manufacturing Congress – II COBEF. v. 26, p. 82-88,
2004.
AOKI, T.; OKAFOR, I. C. I.; WATANABE, I.; HATTORI, M.; ODA, Y.; OKABE, T.
Mechanical properties of cast Ti-6Al-4V-XCu alloys. J Oral Reha, v. 31, n. 11, p. 1109-1114,
2004.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6175 – Processos
mecânicos de Usinagem. Rio de Janeiro, 1971.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 9527 – Rosca métrica ISO.
Rio de Janeiro, 1986.
ASTM. Standart Specification for Ti-6Al-4V alloy casting for surgical implants. 1998.
BALAZIC, M.; KOPAC, J.. JACKSON, M. J.; AHMED, W. Review: titanium and titanium
alloy applications in medicine. International Journal nano and biomaterials, v. 1, n. 1, p. 334, 2007.
BARKSDALE, J. Titanium its occurrence, chemistry and technology. 2nd ed. Metals Park,
1997.
BAUER JR, O.; REIS, A.; LOGUERCIO, A. D.; RODRIGUES FILHO, L. E. Resistência à
tração e alongamento de ligas de Ni-Cr fundidas sob diferentes condições. Rev Pos Grad
USP, v. 13, n. 1, p. 83-88, 2006.
BROOKS, C. R. Heat Treatment, Structure and Properties of Nonferrous Alloys. American
Society for Metals (ASM), Metals Park, Ohio, USA, chapter 9, p. 329-387, 1982.
84
BUTTON, S. T. Apostila Metodologia para Planejamento Experimental e Análise de
Resultados. Campinas, 2001.
CARVALHO, A. O. Análise da dinâmica do processo de roscamento por conformação da liga
de Magnésio AM 60. 2011. 116f. Dissertação (Mestrado)-Programa de Pós-graduação em
Engenharia Mecânica, Universidade Federal de São João del-Rei, São João del-Rei, 2011.
CATTO, M. C. Circular informativa engenharia de aplicação. Telecurso 2000. Processos de
fabricação mecânica. Senai (1999). Mecânica processos de fabricação, 2004.
CHOWDHARY, S.; KAPOOR, S. G.; DEVOR, R. E. Modeling forces including elastic
ecovery for internal thread forming. Journal of Manufacturing Science & Engineering,
ASME, n. 125, p. 681-688, 2003.
CODARO, E. N.; VILCHE, J. R.; GUASTALDI, A. C. In: KOVACS, P.; ISTEPHANOUS,
N. S. (Ed.). Compatibility of biomedical implants. The Electrochemical Society. Inc.,
Pennington, N. J., 1994. p. 276-284.
DA SILVA, M.A.; SOUSA M.N.; DA SILVA, M.B. Análise da força residual na usinagem
do aço ABNT 1045. 6º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, 2011.
DEGARMO, E. P.; BLACK, J. T.; KOHSER, R. A. Materials and Processes in
manufacturing. Hoboken: John Wiley & Sons Inc, 1997.
DONACHIE JR, M. J. Titanium: A Technical Guide. Metals Park, Ohio, USA: ASM
International, 1988.
DRUMOND, F. B.
et al.
Metodologia de otimização de processos. Belo Horizonte:
Departamento de Estatística da UFMG, Departamento de Tecnologia Mineral do Centro de
Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, 1993.
DU, R.; ELBESTAWI, M. A.; WU, S. M. Automated monitoring of ed. Metals Park, Ohio,
USA. v. 16 - Machining, p. 255-267, 1995.
85
EMUGE. Tecnologia de roscagem. 2010.
ESTECO. Manual do Software ModeFRONTIER 4.3. 2012.
EZUGWU, E. O.; WANG, Z. M. Titanium alloys and their machinability – a review. Journal
of Materials Processing Technology, Elsevier, Science S.A., v. 68, p. 262-274, 1997.
FERRARESI, D. Fundamentos da usinagem dos metais. 8. ed. São Paulo: E. Blücher, 1990.
cap. 11, v. 1.
FRIEDMAN, K. E.; VERNON, S. E. Squamous cell carcinoma developing in conjunction
with a mandibular staple bone plate. J Oral Maxillofac Surg, v. 41, p. 265, 1983.
FROES, F. H.; EYLON, D.; BOMBERGER, H. B. Titanium Technology: Present status and
future trends. 1. ed. Ohio: Titanium Development Association, 1985. v. 1.
FROMENTIN, G.; POULACHON, G.; MOISAN, A. Metallurgical aspects in cold forming
tapping, NCMR Proceedings, Leeds, UK, p. 373-377, 2002.
______; ______; ______. Thread forming tapping of alloyed steel. ICME Proceedings,
Naples, Italy, p. 15-18, 2007.
GORDO, N.; FERREIRA, J. Elementos de máquinas Telecurso 2000.
HAYAMA, M. Estimation of torque in cold forming of internal thread. Bulletin of the Faculty
of Engineering, Yokohama National University, v. 21, p. 77-90, 1972.
HELMAN, H.; CETLIN, P.R. Fundamentos da conformação mecânica dos metais. Rio
de Janeiro: Guanabara Dois, 1983.
HENDERER, W. E.; VON TURKOVICH, B. F. Theory of the cold forming tap. Annals of
the CIRP, v. 23, p. 51-52, 1974.
86
IVANOV, V.; KIROV, V. Rolling of internal threads: Part 1. Journal of Materials Processing
Technology, v. 72, p. 214-220, 1996.
JOHNSON, M. Tapping. In: American Society for Metals. Metals handbook. 9th KOELSCH,
J.R. (2002). Rosqueamento de alto desempenho. Máquinas e Metais, n. 432, p. 20-35, jan.
1989.
KIKUCHI, M.; TAKADA, Y.; KIYOSUE, S.; YODA, M.; CAI, Z. et al. Mechanical
properties and microstructures of Ti-Cu alloys. Dent Mater, v. 19, n. 3, p. 174-181, 2003.
KOIKE, M.; OHKUKO, C.; SATO, H.; FUJII, H.; OKABE, T. Evaluation of cast Ti-Fe-O-N
alloys for dental applications. Mat Sc Eng C, v. 25, n. 3, p. 349-356, 2005.
KOMURA, A.; YAMAMOTO, M.; IKAWA, N. Study of tapping method for large size
threads (2nd report) – consideration for the oversized effective diameter by tapping. Bulletin
of the Japan Society of Precision Engineering, v. 24, n. 3, p. 178-183, Sept. 1990.
LAURO, C.H.; BALDO, D.; BRANDÃO, L.C.; CHRISTOFORO, A.L.; CARVALHO, A.O.
Estudo
da
deformação
de
filetes
de
rosca
interna
produzidas
por laminação.
Anais do 1º CONEMAT – Congresso das Engenharias, Arquitetura e Agronomia.
Mato Grosso, p. 686-695, 2010.
LIN JU, C. W.; CHERN LIN, J. H. A comparison of the fatigue behavior of cast ti-7,5Mo
with c.p. titanium, Ti-6Al-4V and Ti-13Nb-13Zr alloys. Biomaterials, v. 26, n. 16, p. 28992907, 2005.
LONG, M.; RACK, H. J. Titanium and alloys in total join replacement: a materials science
perspective. Biomaterials, v. 19, n. 18, p. 1621-1639, 1998.
LORENZ, G. (1980). On tapping torque and tap geometry. Annals of the CIRP, v. 29/1, p. 14. manufacturing processes – part 2: applications. Journal of Engineering for Industry –
Transactions of the ASME, v. 117, n. 2, p. 133-141, May 1980.
87
MAHAN, B. H. Química, um curso universitário. 2. ed. rev., 7. reimp. Rio de Janeiro: E.
Blucher, 1986.
MANERO, J. M.; GIL, F. J.; PLANELL, J. A. Deformation mechanisms of Ti-6Al-4V alloy
with a maertensitic microstructure subjeted to oligocyclic fatigue. Acta Materialia, v. 48, p.
3353-3359, 2000.
MARKOVSKY, P. E. Improvement of structure and mechanical properties of cast titanium
alloys using rapid heat treatment. Materials Science and Engineering A., v. 190, L9-L12,
1995.
MELO, P. J. Formação e caracterização de óxidos crescidos anodicamente sobre Ti e
Ti6Al4V. 2003. Tese (Doutorado)-Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre,
2003.
MONTGOMERY, D. C. Introduction to Statistical Quality Control. New York: John Wiley
& Sons, 1997.
______. Design and analysis of experiments.
ed. Arizona: John Wiley & Sons, Inc., 2005.
NOORT, V. R. Titanium: the implant material of today. Journal of Materials Science, v. 22,
p. 3801-3811, 1987.
OKAZAKI, Y.; GOTOH, E. Comparison of metal release from various metallic biomaterials
in vitro. Biomaterials, v. 26, n. 1, p. 11-21, 2005.
PARR, G. R.; GARDNER, L. K.; TOTH, R. W. Titanium: the mystery metal of implant
dentistry. Dental materials aspects. J Prosthet Dent, v. 54, n. 3, p. 410-414, 1985.
PABLER, K.; MANN, E. Der dentale Titangubß: Grundlagen, Technologie und
werkstoffundliiche Bewertung. Quintessenz Zahntech, v. 17, n. 6, p. 717-726, 1991.
88
ROCHA, S. S.; ADABO, G. L.; VAZ, L. G.; HENRIQUES, G. E. Effect of thermal
treatments on tensile strengt of commercially cast pure titanium and Ti-6Al-4V alloys. J
Mater Sci Mater Med, v. 16, n. 8, p. 759-766, 2005.
ROWLANDS, H.; ANTONY, F. Application of design of experiments to a spot welding
process. Assembly Automation, v. 23, n. 3, p. 273-279, 2003.
SHACKELFORD, F. Introduction to materials science for engineering. 6rd ed. New Jersey:
Person Prentice Hall, 2005.
SHA, J.; NI, J.; WU, S. M. Development of a tap wear monitoring scheme. In:
PROCEEDINGS OF MANUFACTURING INTERNATIONAL „90 – PART 4: ADVANCES
IN MATERIALS AND AUTOMATION, 1990, Atlanta, GA, USA. Proceedings… New
York, NY, USA, ASME, 1990. p.137-142.
SILVA, R.B.; MACHADO, A.R.; EZUGWU, E.O.; BONNEY, J. Fluido de corte aplicado à
alta pressão é a solução para liga de Titânio em HSM. Usinagem 2004, 2004.
SILVA, R.B.V. Uso do SISVAR na análise de experimentos. Programa de Pós-Graduação em
Ciências Agrárias. Departamento de Ciências Exatas. Universidade Federal de Lavras.
Lavras,
2007.
Disponível
em:
<http://www.ebah.com.br/uso-do-sisvar-na-analise-de-experimentos-pdf-a43885.html>.
Acesso em: 30 nov. 2010.
THOMAS, C. J.; LECHNER, S.; MORI, T. Titanium for removable dentures. Two year
clinical observations. J Oral Rehabil, v. 24, n. 6, p. 414-418, 1997.
VAN VLACK, L. H. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais. Rio de Janeiro:
Campus, 1973.
WANG, R. R.; FENTON, A. Titanium for prosthodontic applications: a review of the
literature. Quintessence Int, v. 27, n. 6, p. 401-408, 1996.
89
WEISS, I.; SEMIATIN, S. L. Thermomechanical processing of beta titanium alloys na
overview. Materials Science & Engineering, v. 243, p. 46-65, 1998.
WERKEMA, M. C. C.; AGUIAR, S. Planejamento e análise de experimentos: como
identificar e avaliar as principais variáveis influentes em um processo. Belo Horizonte:
Fundação Christiano Ottoni, Escola de Engenharia da UFMG, 1996.
WORTHINGTON, P.; LANG, B. R.; LAVELLE, W. E. Osseointegration in dentistry: an
introdution. Ilinois, USA: Quintessence Publishing Co. In., 1994. cap. 2 e 4.
ZHANG, Z.; HENRICH, V.E. Electronic Interations in the vanadium/ TiO2 model Catalyst
Sistems. Surface Science, v. 289, p. 297-306, 1992.