Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010
ANÁLISE DE RUGISIDADE EM SUPERFÍCIES USINADAS DE FORMA COMPLEXA
Joana D’arc Dias Costa
Instituto Tecnológico de Aeronáutica / Rua H8A, apartamento 105 – Campus do CTA – SJC
Bolsista PIBIC-CNPq
e-mail: [email protected]
Jefferson de Oliveira Gomes
Instituto Tecnológico de Aeronáutica / CCM (Centro de Competência em Manufatura) – CTA – SJC
e-mail: [email protected]
Resumo. Este trabalho foi desenvolvido na área de resistência dos materiais e usinagem. Ele tem como objetivo a
ambientação aos ensaios envolvidos nesse estudo, em especial os de medida de acabamento superficial após usinagem
de peças que apresentam um perfil complexo, tendo regiões com brusca mudança de direção, fato esse que torna sua
usinagem mais difícil. Para ensaios de rugosidade, foi usado um aparelho chamado rugosímetro, o qual realiza a
detecção das irregularidades superficiais do material através de indutância diferencial.
Palavras chave: rugosidade, usinagem, superfície, complexa, rugosímetro.
1. Introdução
A evolução dos processos de usinagem acompanhou, ao longo dos tempos, o desenvolvimento de vários setores da
indústria, como a engenharia de produção e a engenharia de produtos. Neste último campo, é importante citar a atenção
dada à flexibilidade da produção, à diminuição dos tempos de preparação e à constante preocupação em fabricar com o
menor custo possível (SUN; GUO; JIA, 2006; ALMEIDA, 2003).
Os novos projetos de produtos quase sempre implicam peças de geometria complexa, o que exige novos requisitos
e soluções dos fabricantes de moldes e matrizes e, por conseqüência, dos fabricantes de máquina-ferramenta, software
de programação e ferramentas de corte (SUN; GUO; JIA, 2006).
É na manufatura que muitas indústrias têm buscado suporte para reduzir tempo, custos e prazos. Por isso, os
investimentos em novas tecnologias como máquinas-ferramenta CNC, capazes de usinar peças complexas de pequenas
dimensões e fabricadas em materiais endurecidos, são constantes. O desafio hoje é encontrar soluções que aperfeiçoem
os processos produtivos, e os tornem mais enxutos e flexíveis (LEE, 2006).
Um ciclo de usinagem está associado a trabalhos manuais, ou de máquinas, que possibilitam a execução de uma
dada operação de corte. De acordo com Ferraresi (1977), o ciclo de usinagem de uma peça é constituído diretamente
pelas seguintes fases:
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Preparo da máquina-ferramenta para execução de um lote de peças;
Colocação e fixação de peça na máquina-ferramenta;
Aproximação ou posicionamento da ferramenta para o início do corte;
Operação de corte da ferramenta;
Afastamento da ferramenta;
Inspeção (se necessária) e retirada da peça usinada;
Remoção da ferramenta para substituição ou afiação;
Recolocação e ajustagem da ferramenta em seu suporte.
A rugosidade superficial, trata-se de um tipo de erosão microscópica deixada pela usinagem, que são
imperceptíveis ao olho humano. Esta rugosidade ou acabamento superficial está diretamente ligado a afiação e tipo de
ferramenta utilizada. Por este motivo, melhores resultados são obtidos com ferramentas de corte adequadas e afiadas
com precisão para cada tipo e dureza de material a ser usinado.
2. Análise de rugosidade
As superfícies dos componentes mecânicos devem ser adequadas ao tipo de função que exercem. Por esse motivo,
a importância do estudo do acabamento superficial aumenta à medida que crescem as exigências do projeto. Superfícies
de componentes deslizantes, como o eixo de um mancal, devem ser lisas para que o atrito seja o menor possível. Essas
exigências de acabamento não são tão rigorosas no caso das superfícies externas da tampa e da base de um mancal, por
exemplo (AGOSTINHO; RODRIGUES; LIRANI, 2004).
Os diferentes processos de fabricação de componentes mecânicos determinam acabamentos diversos nas suas
superfícies. Obviamente, a produção de superfícies lisas exige, em geral, custo de fabricação mais elevado. No entanto,
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essas superfícies por mais lisas que se apresentem visualmente, apresentam irregularidades. Essas irregularidades
compreendem dois grupos conhecidos de erros: erros macrogeométricos e erros microgeométricos.
Os chamados erros macrogeométricos são os erros de forma, verificáveis por meio de instrumentos convencionais
de medição, como micrômetros, relógios comparadores, projetores de perfil etc. Entre esses erros, incluem-se
divergências de ondulações, ovalização, retilineidade, planicidade, circularidade etc.
Durante a usinagem, as principais causas dos erros macrogeométricos são:
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Defeitos em guias de máquinas-ferramenta;
Desvios da máquina ou da peça;
Fixação errada da peça;
Distorção devida ao tratamento térmico.
Já os erros microgeométricos são as rugosidades superficiais que nada mais são do que de irregularidades, isto é,
pequenas saliências e reentrâncias que caracterizam uma superfície. Essas irregularidades podem ser avaliadas com
aparelhos eletrônicos, a exemplo do rugosímetro.
A rugosidade desempenha um papel importante no comportamento dos componentes mecânicos. Ela influi na:
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Qualidade de deslizamento;
Resistência ao desgaste;
Possibilidade de ajuste do acoplamento forçado;
Resistência oferecida pela superfície ao escoamento de fluidos e lubrificantes;
Qualidade de aderência que a estrutura oferece às camadas protetoras;
Resistência à corrosão e à fadiga;
Vedação;
Aparência.
As principais causas dos erros do tipo rugosidade são imperfeições nos mecanismos das máquinas, vibrações no
sistema peça-ferramenta, desgaste das ferramentas e o próprio método de conformação da peça. Essa constatação é feita
através da análise da grandeza, a orientação e o grau de irregularidade da rugosidade.
Para medida de rugosidade superficial o sistema básico de medida adotado é o da linha média M. Nesse sistema,
todas as grandezas da medição da rugosidade são definidas a partir do seguinte conceito de linha média: linha média é a
linha paralela à direção geral do perfil, no comprimento da amostragem, de tal modo que a soma das áreas superiores,
compreendidas entre ela e o perfil efetivo, seja igual à soma das áreas inferiores, no comprimento da amostragem (le). A
Figura 1 abaixo ilustra como funciona esse mecanismo de cálculo.
Figura 1. Cálculo através do sistema M.
(1)
Onde, A1 e A2 são as áreas acima da linha média e A3 é a área abaixo da linha média.
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A superfície de peças apresenta perfis bastante diferentes entre si. As saliências e reentrâncias (rugosidade) são
irregulares. Para dar acabamento adequado às superfícies, é necessário, portanto, determinar o nível em que elas devem
ser usinadas. Ou seja, deve-se adotar um parâmetro que possibilite avaliar a rugosidade (ALVES, 2002).
O parâmetro de rugosidade média é denotado por Ra e faz a média aritmética dos valores absolutos das distâncias
hi do perfil real ao perfil médio como mostrado na Figura 2.
Figura 2. Medida de Ra.
(2)
Já o parâmetro de rugosidade máximo, Ry, é definido como sendo o maior dos valores de rugosidade parcial, Z i,
que se apresenta no percurso de medição (lm). No caso da Figura 3 abaixo, o maior valor parcial é Z3.
Figura 3. Rugosidade máxima, Ry, definida pela rugosidade parcial (neste caso Z3).
A rugosidade Rz corresponde a média aritmética dos cinco valores de rugosidade parcial, Zi, ao longo do
comprimento de medição, lm. A Equação 3 a seguir mostra a relação desse parâmetro no caso ilustrado na Figura 3.
(3)
2.1. Descrição experimental
O principal ensaio realizado no projeto foi um teste de rugosidade em superfície. Para realizar tal experimento, foi
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necessária a utilização de um equipamento, como o mostrado na Figura 4 abaixo, chamado rugosímetro. Esse aparato
realiza a detecção das irregularidades superficiais do material através de indutância diferencial e apresenta uma ponta
de diamante, a qual percorre a superfície da amostra, cujo raio é de aproximadamente 5µm.
Além disso, esse equipamento só pode ser operado numa faixa de temperatura compreendida entre 5ºC e 40ºC para
oferecer resultados confiáveis, por isso a temperatura do laboratório utilizado era regulada por sistema de refrigeração a
ar para garantir uma temperatura dentro dessa faixa, em geral 20ºC.
Figura 4. Rugosímetro.
A peça analisada, feita em aço, foi usinada por fresamento concordante sob ação contínua de fluido de corte e seu
formato ficou como mostrado na Figura 5. Como mencionado anteriormente, ela possui um perfil complexo, pois
apresenta geometria com cristas que fazem brusca mudança de direção. Em uma dessas cristas, há um raio entre a parte
ascendente e descendente de 4 mm, enquanto na outra não há raio, o que caracteriza um canto vivo.
As dimensões principais da peça são 125 mm de comprimento, 56,5 mm de largura e altura máxima de
aproximadamente 42,5 mm. Além disso, sabe-se que sua geometria foi concebida com uma inclinação de 75º em
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Figura 5. Modelo 3D da peça.
Foram analisadas quatro regiões da peça, as quais tiveram parâmetros diferentes de usinagem, na parte ascendente de
cada crista. Ainda, para realizar o experimento foi necessário deixar a peça ligeiramente inclinada de forma que a
superfície a ser analisada ficasse paralela ao sensor do rugosímetro conforme ilustra a segunda imagem da Figura 6.
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Figura 6. Direção de medição da rugosidade.
Os comprimentos de amostragem foram definidos segundo a NBR 6405/1988 como sendo 0,8 mm. Ainda, foram feitas
cinco medições, ao longo de cada uma das quatro regiões, para todos os parâmetros de rugosidade, a saber, Ra, Ry, Rz e
Rq.
2.2. Resultados
1.
Lateral parte canto vivo
Nesse caso, foram medidos parâmetros de
rugosidade relacionados à parte indicada pela seta na
figura ao lado.
O gráfico da Rugosidade x Parâmetro de rugosidade
feito com as médias e desvios padrões está mostrado
na Figura 7 abaixo:
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Figura 7. Gráfico dos parâmetros de rugosidade para a lateral parte canto vivo
Lateral parte convexa
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A figura ao lado mostra a outra superfície em que foi
feita a medida de rugosidade.
Novamente é apresentado o gráfico da Rugosidade x
Parâmetro de rugosidade feito com as médias e
desvios padrões, dessa vez na Figura 8:
Figura 8. Gráfico dos parâmetros de rugosidade para a lateral parte convexa
2.3. Conclusões
Da análise dos gráficos das Figuras 7 e 8, constata-se a quase ausência de variação de rugosidade nas diferentes regiões
de medição. Dessa forma, não é possível afirmar que os diferentes métodos de usinagem utilizados neste trabalho
afetam significativamente a rugosidade superficial da peça. Outros ensaios são requeridos para conclusão da qualidade
de usinabilidade no caso de superfícies complexas como a aqui apresentada.
3. Agradecimentos
Agradeço ao CNPq e ao meu orientador, Jefferson Gomes, pela oportunidade de ter meu primeiro contato na área de
engenharia aplicada, onde pretendo atuar futuramente.
Por fim, agradeço a meus pais pelo suporte dado nas minhas decisões e aos colegas do ITA pela ajuda fornecida nos
momentos difíceis.
4. Referências
AGOSTINHO. O L; RODRIGUES. A C S; LIRANI, J: Tolerâncias, ajustes, desvios e analise de dimensões, Ed 2004,
Editora Edgard Blucher, S Paulo
ALMEIDA, D. A. Gerência da produção. Itajubá: Universidade Federal, 2003. Apostila, curso de especialização em
qualidade produtiva, programa de pós-graduação em Engenharia de Produção.
ALVES, M. L. Efeito da Medição de Rugosidade na Massa de Padrões de Massa Classe F2. Rio de Janeiro, 2002. p. 3746 Dissertação (Mestrado em Metrologia para a Qualidade Industrial) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro, 2002.
LEE, H. S. et al. Systematic finishing of dies and moulds. International Journal of Machine Tools & Manufacture, v. 46,
Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010
,
p. 1027–1034, 2006.
SUN, Y. W; GUO, D. M; JIA, Z. Y. Spiral cutting operation strategy for machining of sculptured surfaces by conformal
map approach. Journal of Materials Processing Technology, v. 180, p. 74–82, 2006.