0
SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA - SOCIESC
INSTITUTO SUPERIOR TUPY - IST
RONALDO CARLOS ROHLOFF
EFEITO DOS PARÂMETROS DE CORTE NO FRESAMENTO DO AÇO
INOXIDÁVEL AISI 420 PARA MOLDES E MATRIZES
Joinville, Maio de 2012
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Guias e Dicas
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Encontrar documentos
Prepare-se para as provas com trabalhos de outros alunos como você, aqui na Docsity
Pesquisar documentos Store
Os melhores documentos à venda: Trabalhos de alunos formados
Videoaulas
Prepare-se com as videoaulas e exercícios resolvidos criados a partir da grade da sua Universidade
Quiz
Responda perguntas de provas passadas e avalie sua preparação.
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Comunidade
Pergunte à comunidade
Peça ajuda à comunidade e tire suas dúvidas relacionadas ao estudo
Ranking universidades
Descubra as melhores universidades em seu país de acordo com os usuários da Docsity
Guias grátis
Os eBooks que salvam estudantes!
Baixe gratuitamente nossos guias de estudo, métodos para diminuir a ansiedade, dicas de TCC preparadas pelos professores da Docsity
Efeito dos parâmetros de corte no fresamento do aço inoxidável aisi 420, Notas de estudo de Engenharia Mecânica
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
Tipologia: Notas de estudo
2012
1 / 83
Esta página não é visível na pré-visualização
Não perca as partes importantes!
Documentos relacionados
Pré-visualização parcial do texto
Baixe Efeito dos parâmetros de corte no fresamento do aço inoxidável aisi 420 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity!
SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA - SOCIESC
INSTITUTO SUPERIOR TUPY - IST
RONALDO CARLOS ROHLOFF
EFEITO DOS PARÂMETROS DE CORTE NO FRESAMENTO DO AÇO
INOXIDÁVEL AISI 420 PARA MOLDES E MATRIZES
Joinville, Maio de 2012
RONALDO CARLOS ROHLOFF
EFEITO DOS PARÂMETROS DE CORTE NO FRESAMENTO DO AÇO
INOXIDÁVEL AISI 420 PARA MOLDES E MATRIZES
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica do Instituto Superior Tupy, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Adriano Fagali de Souza
Joinville, Maio de 2012
AGRADECIMENTOS
Ao professor Dr. Adriano Fagali de Souza pela oportunidade de estudo, sugestões, orientações, confiança, diretrizes e apoio na realização deste trabalho. À minha namorada Simoni Bett, pelo amor, carinho e parceria de sempre. Aos meus pais, Egon e Traudi Rohloff, por todo o incentivo e confiança. À Fapesc, pelo fomento de bolsa de estudos para realização do mestrado em Engenharia Mecânica. À Sociesc, pela concessão da bolsa integral de estudo para realização do mestrado em Engenharia Mecânica. À empresa Sandvik do Brasil, pelo fornecimento das ferramentas utilizadas nos experimentos de usinagem. Às empresas Brasimet, Balzers e Platit, pelo auxilio e confiança na realização de pesquisas e experimentos. Aos laboratórios de Metrologia e de Materiais da Sociesc pelo envolvimento nas medições dos experimentos, especialmente à Tere e ao Matheus. Ao grupo de pesquisa PROMOLDE. Ao setor de Tratamento Térmico da Sociesc, pelo auxílio na preparação dos corpos-de-prova, especialmente ao Sr. Böge. E a todos os colegas e demais professores da Sociesc, pelo suporte e apoio, especialmente aos amigos Eltom Deglmann, Frederico Varella, Wagner Moraes, Adriano Albano, Sabrina Bodziak, Ernesto Berkenbrock e Eduardo Ken Tomoike.
RESUMO
ROHLOFF, R. C. “Efeito dos parâmetros de corte no fresamento do aço inoxidável AISI 420 para moldes e matrizes”. Dissertação Mestrado. Instituto Superior Tupy, Joinville, 2012.
Os fabricantes de moldes têm ampliado a utilização do aço inoxidável AISI 420 para a fabricação de cavidades de moldes. A usinabilidade deste material é comprometida pela alta dureza e pelos elementos de liga. O presente trabalho tem por objetivo analisar a influência da velocidade de corte, da profundidade de corte e do avanço por aresta, no fresamento de semi-acabamento do aço inoxidável AISI
- Em experimentos de usinagem foi avaliada a evolução do desgaste de flanco da ferramenta de corte e a forma e coloração dos cavacos em função dos parâmetros de corte. Uma análise simplificada de custos de fabricação foi realizada considerando os parâmetros de corte e o desgaste da ferramenta. Os resultados mostram que o avanço por aresta tem a menor influência sobre o desgaste de flanco e que elevados parâmetros de corte geram custos de fabricação maiores que o ganho em produtividade.
Palavras-chave : Aço Inoxidável AISI 420, Fresamento, Parâmetros de corte.
LISTA DE FIGURAS
SUMÁRIO
- Figura 1 - Consumo de aço inoxidável no Brasil
- Figura 2 - Força específica de corte
- Figura 3 - Sentido de corte
- Figura 4 - Ângulo de posição de insertos redondos
- Figura 5 - Mecanismo de formação de cavacos
- Figura 6 - Formas de cavacos produzidos na usinagem de metais
- Figura 7 - Estágios de desgaste
- Figura 8 - Principais mecanismos de desgaste no processo de usinagem
- Figura 9 – Combinações de parâmetros de corte
- Figura 10 - Microestrutura do aço inoxidável AISI
- Figura 11 - Fresa Sandvik R300-016A20L-08L
- Figura 12 - Inserto utilizado no experimento
- Figura 13 - Revestimento da ferramenta de corte
- Figura 14 - Mandril porta-pinça, fresa e inserto
- Figura 15 - Dispositivo de auxílio para medir VB.......................................................
- Figura 16 - Desgaste de flanco das ferramentas de corte
- parâmetros de corte Figura 17 - Desgaste de flanco máximo por volume usinado para os distintos
- Figura 18 - Efeitos principais sobre o desgaste de flanco para 9,45 cm³
- Figura 19 - Análise de variância do desgaste de flanco para 47,25 cm³
- Figura 20 - Variáveis significativamente influentes no desgaste de flanco................
- Figura 21 - Tipos de cavacos
- Figura 22 - Coloração dos cavacos
- Tabela 1 - Composição química do aço inoxidável AISI 420..................................... LISTA DE TABELAS
- Tabela 2 - Variáveis do procedimento experimental
- Tabela 3 - Valores do planejamento fatorial derivado
- Tabela 4 - Características da classe GC
- Tabela 5 - Tempos necessários para remoção de 37,8 cm³
- Tabela 6 - Relação de custos alterando o “fz”
- Tabela 7 - Relação de custos alterando a “vc”...........................................................
- Tabela 8 - Relação de custos alterando a “ap”
- 1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO
- 1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO
- 1.2 ESTRUTURA DO DOCUMENTO
- 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
- 2.1 USINABILIDADE DE MATERIAIS
- 2.2 FORMAÇÃO DO CAVACO
- 2.3 FALHA E DESGASTE DE FERRAMENTAS DE CORTE
- 2.3.1 Desgaste de Flanco (VB)
- 2.3.2 Desgaste de Cratera
- 2.3.3 Desgaste de Entalhe
- 2.4 PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS AÇOS INOXIDÁVEIS
- 2.5 PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS..................................................
- 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
- 3.1 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL
- 3.2 MATERIAL EMPREGADO NOS EXPERIMENTOS DE USINAGEM........
- 3.3 EQUIPAMENTOS E FERRAMENTAS......................................................
- 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
- 4.1 ANÁLISES DO DESGASTE DE FLANCO MÁXIMO.................................
- 4.2 ANÁLISES DO CAVACO
- 4.2.1 Tipo dos cavacos
- 4.2.2 Análise simplificada da coloração dos cavacos
- 4.3 ANÁLISES SIMPLIFICADAS DOS CUSTOS DE FABRICAÇÃO
- 5 CONCLUSÃO E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
- REFERÊNCIAS
1 INTRODUÇÃO E CONTEXTUALIZAÇÃO
Os aços inoxidáveis assumem um papel de destaque na indústria atual. Apesar da queda no consumo do ano de 2009, em função da crise mundial em 2008, Abinox (2011) comenta que a utilização de aço inoxidável vem crescendo exponencialmente nos últimos anos no Brasil, conforme ilustra a Figura 1. É previsto o crescimento do consumo desse aço em 12% ao ano até 2015, o que levará o consumo nacional a 550 mil toneladas/ano.
Figura 1 - Consumo de aço inoxidável no Brasil Fonte: Abinox (2011).
Os aços inoxidáveis podem ser empregados em produtos e componentes diversos, tais como instrumentos cirúrgicos ou na fabricação de cavidades de moldes para injeção de polímeros. No processamento de polímeros abrasivos ou com elementos quimicamente agressivos (Cloro e Flúor, por exemplo), devem-se empregar ferramentais fabricados com materiais resistentes ao material injetado. O aço inoxidável, após tratamento térmico, é uma opção empregada com sucesso (MORATELLI e COSTA, 2006). Normalmente, esta categoria de aços possui alta dureza, boa estabilidade térmica, química, alta resistência a corrosão e elevada vida útil do ferramental, quando comparado aos aços usuais empregados no processamento de polímeros não agressivos, tais como os aços P20 e H13 (HARADA, 2004; SILVA et al ., 2007; VILLARES METALS, 2008). O setor de moldes e matrizes da indústria brasileira acompanha e até estimula a tendência ao crescimento do consumo de aço inoxidável no Brasil, principalmente devido à influência deste setor nas indústrias automobilísticas,
em aço inoxidável para a fabricação de moldes, analisando a influência da variação dos principais parâmetros de corte sobre o desgaste das ferramentas e as características dos cavacos obtidos do processo. Adicionalmente, foi realizada uma análise simplificada da relação custo-benefício dos principais parâmetros do processo.
1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO
Este trabalho tem por objetivo geral desenvolver o conhecimento do fresamento em aço inoxidável martensitico AISI 420 e a influência dos principais parâmetros de corte. Especificamente, pretende-se:
Desenvolver um planejamento fatorial de experimentos envolvendo as variáveis e os níveis de forma aleatória;
Realizar as operações de usinagem de acordo com o planejamento fatorial.
Analisar a evolução do desgaste das ferramentas de corte e verificar a tendência de crescimento em função da quantidade de material removido.
Verificar a forma e as características dos cavacos gerados pelo corte de material, a fim de compreender o fenômeno de corte e as alterações dos resultados nas diferentes situações.
Identificar a influência de cada parâmetro de corte no resultado final, para diferentes quantidades de material removido, empregando técnicas de análise de variância (ANOVA).
Avaliar a relação custo-benefício dos principais parâmetros do processo.
1.2 ESTRUTURA DO DOCUMENTO
Este trabalho está dividido em cinco capítulos, brevemente descritos a seguir, além das referências e anexos. Capítulo 1 – Introdução e contextualização – Este capítulo apresenta o cenário e a importância da indústria de moldes, os principais processos relevantes para a sua fabricação, o escopo experimental e os objetivos propostos para realizar o trabalho. Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica – São apresentadas as principais tecnologias e ciências envolvidas nesse trabalho, suas especificações e características. Capítulo 3 – Procedimento Experimental – Descreve-se cada etapa do experimento em sua respectiva ordem de execução, são apresentados os critérios a serem analisados, bem como os recursos empregados no trabalho. Capítulo 4 – Resultados e Discussões – Demonstra-se os resultados obtidos do procedimento experimental para cada critério avaliado, as correlações entre os critérios e discussões sobre o tema. Capítulo 5 – Conclusão - Descreve-se as conclusões finais do trabalho. Os aspectos importantes são evidenciados, além de sugestões para futuros trabalhos. Referências – Contêm todas as referências bibliográficas deste trabalho. Anexos – Ao final deste trabalho, encontram-se informações adicionais para documentação e esclarecimentos.
específica de corte (Kc), que para o aço inoxidável (M) encontra-se entre 1800- N/mm² e para os aços endurecidos entre 2500-4800 N/mm², conforme a Figura 2 (SANDVIK COROMANT, 2010).
Figura 2 - Força específica de corte Fonte: Sandvik Coromant (2010).
Segundo Vieira et al. (2010) a interação entre a ferramenta, o cavaco, a peça e o cisalhamento são os responsáveis pela geração de calor durante o processo de usinagem. As altas temperaturas podem ser observadas na interface cavaco- ferramenta, que influenciam substancialmente o modo de formação dos cavacos, a força de corte e a vida da ferramenta. Os cavacos removidos durante a usinagem exercem altas pressões na aresta de corte. Estas pressões, quando combinadas com altas temperaturas na interface cavaco-ferramenta causam a aderência de porções de cavacos na ferramenta. Além disso, a baixa condutividade térmica dos aços inoxidáveis contribui com o aumento do calor durante o corte, ficando maior quantidade de calor na peça e na ferramenta de corte do que a quantidade de calor que é removida juntamente aos cavacos (LIN, 2002 e SILVA et al ., 2007). De acordo com Machado et al. (2009), carbonetos abrasivos presentes nos aços inoxidáveis altamente ligados causam rápido desgaste nas ferramentas. Deste modo, ferramentas revestidas têm sido utilizadas em operações como o fresamento com grande sucesso. O uso de ferramentas revestidas e de base cerâmica permite o
emprego de parâmetros de corte mais elevados e que conseqüentemente aumentam a produtividade do ferramental. Astakhov (2005) estima que 15% do total de componentes mecânicos manufaturados no mundo são derivados dos processos de usinagem, enquanto que a usinagem por fresamento, no setor de moldes e matrizes, é uma das técnicas mais utilizadas (SOUZA, COELHO e RODRIGUES, 2010). Saglam, Yaldiz e Unsacar (2007), afirmam que o aumento da produtividade requer o envolvimento de todas as operações de produção, sendo a possibilidade de utilização total ou ativação de todas as facilidades de fabricação disponíveis. A fim de envolver todas as operações tecnológicas e elevar a eficiência de uma operação de fresamento em materiais endurecidos, deve-se levar em consideração a seleção das melhores ferramentas, geometrias de insertos e parâmetros de corte adequados. Para os parâmetros são utilizados baixos valores de profundidade de corte (ap), valores de avanço (ƒ) compatíveis com o padrão de acabamento desejado e níveis de velocidade de corte (vc) inferiores aos praticados em materiais não endurecidos (SAGLAM, YALDIZ e UNSACAR, 2007). Dentre os elementos a serem analisados na escolha da ferramenta para o processo de usinagem também está a classe da ferramenta, que deve ser apropriada ao material que será usinado. Para a escolha da classe, os aspectos importantes são a tenacidade e a dureza da ferramenta, sendo necessário manter o equilíbrio entre essas duas propriedades (ATKINS, 2009). A vida da ferramenta é reduzida pelo aumento de qualquer uma das variáveis do processo. Entretanto, o efeito do aumento da velocidade de corte é muito mais significativo sobre a redução da vida da fresa do que o avanço por aresta e esta, mais significativa do que a profundidade de corte (STEMMER, 2007). Segundo Taylor apud König e Klocke (1997) a velocidade de corte (vc) é o parâmetro de corte que mais influência no desgaste da ferramenta, devido ao aumento de energia (calor) gerada pelo processo. O aumento do avanço por aresta (fz) também aumenta a quantidade de calor no processo, porém devido ao aumento da área da ferramenta em contato com o cavaco e conseqüente condução do calor para fora da região de corte, a influência deste parâmetro de processo não é tão significativa sobre a vida da ferramenta. Já a influência da profundidade de corte (ap) é menor, pois apenas faz com que um maior volume de material seja retirado através da utilização de uma maior
acabamento superficial da peça será melhor em comparação ao discordante (STEMMER, 2007). O fresamento discordante tem os movimentos de corte e de avanço em sentidos opostos. Inicialmente quando a aresta de corte toca a peça ela é forçada para dentro (deformação plástica), criando um excessivo atrito e altas temperaturas, fazendo com que a superfície fique encruada. Quando a pressão da aresta cortante atinge um valor capaz de vencer a tensão de ruptura do material da peça, a ferramenta penetra a peça e, com os movimentos de usinagem, retira uma porção de cavaco em forma de vírgula. A espessura do cavaco inicia em zero gerando uma pressão específica máxima, obtendo elevadas forças de corte, que tendem a afastar a ferramenta da peça. O material no início do corte é mais duro, pelo encruamento produzido pela aresta precedente, havendo uma redução na vida das arestas cortantes da ferramenta (STEMMER, 2007). A quantidade de calor gerada na usinagem aumenta com a velocidade de corte, avanço e profundidade de corte. Este aumento da geração de calor, e conseqüentemente, da temperatura, acelera o desgaste da ferramenta e o coeficiente de atrito (KÖNIG E KLOCKE, 1997). Além dos parâmetros de corte, no processo de fresamento ainda há outras características peculiares que requerem cuidados na utilização e na correta seleção das condições de usinagem, como: deflexão da ferramenta, não uniformidade estrutural do material da peça, variação de temperaturas, geometria e revestimento do inserto de corte.
Deflexão da ferramenta:
De acordo com Diniz, Marcondes e Coppini (2006), com relação às fresas frontais de topo, as combinações entre o ângulo de hélice e a direção de corte influenciam as forças que agem na ferramenta e na deflexão da fresa na direção da profundidade de corte (que deve ser evitada). Assim, é normalmente vantajoso que a direção de rotação da fresa concorde com a direção da hélice. O comprimento de balanço da ferramenta de corte também tem grande influência sobre a deflexão da ferramenta, porém relações altas de comprimento por diâmetro da ferramenta são necessárias, principalmente na indústria de moldes e matrizes, para obter acesso as cavidades dos moldes (DEGLMANN, 2011).
Ferreira et al. (2010) estudaram soluções para operações com grande comprimento de balanço da ferramenta, comparando o processo de fresamento e de eletroerosão. Foram analisados os processos de fabricação para cavidades de moldes de geometria complexa e notaram que o processo de eletroerosão deve ser evitado, ficando restrito apenas para aplicações em que o fresamento não atende a necessidade de fabricação. Ainda comentam sobre a importância da realização de pesquisas, a fim de reduzir os problemas de alcance da ferramenta de corte nas operações de fresamento (grande altura de balanço da ferramenta).
Não uniformidade estrutural do material:
A maioria dos materiais contém uma pequena quantidade de partículas insolúveis, que podem ser duras ou moles na temperatura de usinagem. Quando mais duras do que o material, provocam um acelerado desgaste na ferramenta e quando mais moles, aumenta-se a vida da ferramenta. Há ocorrências de vazios na estrutura cristalina do material que por conseqüência podem gerar variações no ângulo de cisalhamento durante a usinagem. Desta forma, torna-se importante realizar análises metalográficas do material utilizado e detectar a presença de vazios e carbonetos na estrutura cristalina do material (STEMMER, 2007).
Variação da temperatura:
Devido ao atrito no contato da ferramenta-peça durante o corte são geradas diferentes zonas de aquecimento na ferramenta de corte. A temperatura é um dos principais fatores que influenciam o desgaste da ferramenta, sendo gerada pela energia de deformação do material e do atrito na interface cavaco/ferramenta/peça e que levam à diminuição do tempo de vida útil da ferramenta de corte. Devido às altas temperaturas, as ferramentas perdem sua dureza original, aumenta o desgaste por abrasão e é facilitada a difusão do material da peça com o da ferramenta (JASPERS et al ., 1998 apud BRANDÃO, 2006). Porém, o calor gerado pelo cisalhamento no interior do cavaco pode ser considerado benéfico e um aliado da ferramenta devido ao amolecimento do cavaco produzido diminuindo a resistência mecânica do material recalcado (SALES, DINIZ e MACHADO, 2001).