No processo de furação a retirada de cavaco é feita pelo giro da broca em torno de seu próprio eixo, sendo um processo de usinagem convencional, com ferramenta de geometria definida ⁽⁴⁾. A usinagem é um processo de fabricação em que as peças são produzidas pela remoção de material na forma de cavaco, sendo amplamente reconhecida como o método mais popular entre todos os processos. Para que a remoção de material ocorra de maneira eficiente, diversos requisitos são necessários como, por exemplo, a escolha adequada da ferramenta (geometria e material), definição dos parâmetros de corte e tipo de material.

Ao estudar como as brocas helicoidais removem material, observa-se que isso ocorre principalmente pela ação da aresta transversal, que se integra à aresta principal.

Mesmo com o ângulo de saída negativo e posicionada no centro da broca, a aresta transversal tem um papel essencial na deformação do material, ex-trudando-o na direção das partes cortantes da aresta principal ⁽⁵⁾. Essa interação demonstra claramente como os parâmetros de afiação da ferramenta influenciam diretamente no seu desempenho durante a usinagem. A figura 1 mostra os principais elementos constituintes de uma broca helicoidal.

                                                  

 

Um dos métodos para aumentar o rendimento da ferramenta é a modificação de suas geometrias de corte.Uma afiação adequada pode reduzir a temperatura, a força de corte, a potência necessária para a usinagem e o desgaste da ferramenta, resultando em um aumento significativo da sua vida útil, além de melhorar o acabamento superficial das peças usinadas ^((3,6) e Trent & Wright, 2000).

O aço ABNT 4144M se destaca por suas propriedades singulares e tem grande versatilidade, com diversas aplicações na indústria. Com uma composição química balanceada quinclui elementos como cromo, molibdênio e níquel, o material exibe uma notável resistência mecânica e dureza, sendo ideal para aplicações que requerem alta resistência ao desgaste e à tração. Sua capacidade de ser temperado e revenido contribui para o desenvolvimento de peças robustas e duradouras, frequentemente encontradas em máquinas, engrenagens e eixos de transmissão ⁽²⁾. A usinabilidade do aço SAE 4144M, incluindo o desempenho na furação, é uma consideração importante, sendo fundamental levar em conta fatores como as condições de corte e a geometria da ferramenta.

Este estudo foi realizado por sugestão de uma empresa parceira, buscando encontrar uma solução de melhorias de processos, neste caso para a furação do aço SAE 4144M, que, apesar de suas qualidades para uso em componentes automotivos, é um material difícil de usinar, sendo sempre um grande desafio para produções em larga escala. O projeto teve como objetivo estudar a influência da variação de afiação (geometria) de brocas de metal duro na furação do aço 4144M,tendo como variáveis de saída a força de avanço e o torque. Neste estudo foi analisada a geometria de broca que teve melhor desempenho, com base nas menores forças de usinagem encontradas, entre as geometrias testadas.
 

Materiais e métodos

O material usado nos testes de furação foi o aço SAE 4144M, que foi forjado,temperado e revenido, sendo comumente utilizado na indústria automotiva.Os corpos de prova fornecidos pela empresa parceira foram preparados previamente, incluindo o faceamento e esquadrejamento para garantir uma fixação adequada na base do dinamômetro. Este aço possui uma estrutura martensítica revenida e uma dureza média de 38,15 HRC. Os ensaios de furação foram feitos no Laboratório de Pesquisa em Usinagem (LAUS) da PUCPR, em um centro de usinagem Cincinnati Milacron Arrow 500, com 5,5 kW de potência e rotação máxima de 6.000 rpm.

Foram realizadas tréplicas de ensaios de furação para cada broca. Em todos os testes foram usadas brocas escalonadas de metal duro classe K40 revestidas com Durana (AlTiN + TiSiXN), diâmetro menor de 11 mm (neste estudo só o diâmetro menor foi usado), diâmetro maior de 13 mm, ângulo de hélice de 45o, ângulo de ponta de 140o e comprimento útil no menor diâmetro de 46,5 mm. As brocas foram fabricadas pela empresa parceira sem o uso de fluido de corte. 

Os testes de medição de força de avanço e torque da ferramenta foram realizados com variação dos parâmetros de velocidade de corte e avanço em dois níveis. Esses valores foram escolhidos dentro da faixa de trabalho recomendada pela fabricante e refletem os valores usados no ambiente de produção da empresa parceira: 80 e 120 m/min para a velocidade de corte,e 0,05 e 0,107 mm/rev para o avanço das ferramentas. O comprimento do furo (percurso de avanço) foi fixado temperado e revenido, sendo comumente utilizado na indústria automotiva.

Os corpos de prova fornecidos pela empresa parceira foram preparados previamente, incluindo o faceamento e esquadrejamento para garantir uma em 20 mm. As variáveis de saída analisadas foram a força de avanço e o torque. As modificações geométricas feitas nas ferramentas em relação à espessura de guia cilíndrica, geometria do canal e geometria da aresta transversal e as condições de corte testadas são mostradas na tabela 1.

                                       

 

A figura 2 ilustra as cotas que constituem a aresta transversal, onde AA é a distância entre as arestas transversais da broca helicoidal no eixo de giro e BB é a distância entre o aguçado (termo usado na empresa parceira) de cima e o aguçado de baixo, normalmente perpendicular à AA. A espessura das guias cilíndricas das brocas foi variada em dois níveis (0,8 e 1,3 mm) e a geometria do canal em três (1, 2 e 3, figura 3). 
 

                                                   

                                                     

Para os testes, o corpo de prova foi fixado em uma plataforma dinamométrica, modelo 9272, acoplado a um amplificador, modelo 5070, ambos da Kistler Instrument, e este foi conectado a uma placa de aquisição de dados, modelo NI USB-6259, da National Instrument, que era gerenciado por software DAQ Express. Foi usada uma broca nova para os testes nas quatro condições de corte (velocidade de corte e avanço em dois níveis), outra na réplica e outra na tréplica, sem que em nenhuma ocasião o desgaste de flanco máximo chegasse a 0,1 mm, evitando assim a influência do desgaste da broca nos resultados. A frequência de aquisição dos sinais de força de avanço e torque foi de 1.000 Hz durante todo o período de corte para execução do furo, e a média dessas medições foram consideradas como resultado de cada furo.

Como foram feitas três repetições, o resultado da força de avanço e torque obtido foi a média geral desses ensaios.Para avaliar a confiabilidade dos dados (resultados) coletados durante o estudo, foram feitas análises de variância – ANOVA, usando o software Statistica 12.0, em uma comparação geral entre os parâmetros de usinagem e geometria das ferramentas.
 

Resultados

A figura 4 mostra os resultados das forças de avanço médias encontradas quando se utilizou as quatro brocas,nas quatro condições de corte testadas. Observa-se que o desempenho das brocas depende das condições de corte, mas para uma análise mais apurada é necessário desenvolver uma análise de variância, para se ter confiabilidade estatística nos resultados dos efeitos das condições de corte e da geometria das brocas nas forças de usinagem. A tabela 2 mostra os resultados da análise de variância para a força de avanço. Observa-se que a geometria das ferramentas não apresentou influência significativa nas forças de avanço, considerando um índice de confiabilidade de 95%. A única variável com influência significativa dentro desta confiabilidade foi a velocidade de corte, com p <0,05.

                                                

                                       

 

A figura 5 mostra os gráficos de tendências da influência de todas as variáveis de entrada. Observa-se que ao passar a velocidade do nível menor (80 m/min) para o maior (120 m/min), a força de avanço tende a crescer, sendo estatisticamente significante. A força de avanço na furação depende muito da aresta transversal e menos da ação da aresta principal de usinagem ⁽¹⁾. Assim, a maior velocidade de corte implica em maior velocidade de avanço (maior rotação), gerando forças de avanço maiores, mesmo sabendo que as temperaturas são superiores para a maior velocidade de corte. Ao se passar do menor avanço (0,05 mm/volta) para o maior (0,107 mm/volta), o gráfico mostra que as médias das forças de avanço são muito próximas, indicando pouca influência desta variável.

         

Esses resultados, de certa forma, contrariam a teoria, pois se esperava um aumento da força com o aumento do avanço ⁽⁴⁾. Possivelmente, as diferentes geometrias de brocas podem influenciar os resultados. O gráfico que mostra a influência das brocas identifica a broca de geometria B como a que apresenta as menores médias de forças de avanço, o que pode se dever ao fato de a cota BB ser ligeiramente menor, e a cota AA maior, para esta ferramenta.

                                   

A figura 6 mostra os resultados dos torques médios obtidos quando se utilizou as quatro brocas, nas quatro condições de corte testadas. Observa-se que o desempenho das brocas depende das condições de corte, mas de uma maneira geral a broca “C” tende a apresentar melhores resultados que as demais. Foi desenvolvida uma análise de variância, ANOVA, para se ter confiabilidade estatística nos resultados dos efeitos das condições de corte e da geometria das brocas nos torques de furação. Resultados da ANOVA são mostrados na tabela 3, indicando que apenas a velocidade de corte apresentou influência estatisticamente significativa no torque, para um índice de confiabilidade de 95% (p < 0,05). São mostrados na figura 7 os gráficos de tendências da influência de todas as variáveis de entrada no torque.

                                                 

         

 

Observa-se que o aumento da velocidade de corte de 80 m/min para 120 m/min implica em crescimento considerável do torque (6,6 Nm para 9,3 Nm, ou 41%). Esses resultados não eram esperados, uma vez que o aumento da velocidade de corte implica em maior geração de calor, o que facilitaria a formação do cavaco ⁽⁴⁾, e a aresta principal de corte contribuiu mais decisivamente para o torque que a aresta transversal ⁽¹⁾.

Entretanto, esses resultados foram influenciados pelo avanço e pela geometria das brocas. O avanço não apresentou influência estatisticamente significativa, mas há a tendência de ligeiro crescimento da média do torque com o aumento deste parâmetro. A geometria das brocas também não influenciou o torque significativamente, mas há a tendência de a broca “C” apresentar menores valores. Isso pode significar que a menor cota AA da aresta transversal e a maior BB, e a geometria 1, favorecem a força de corte e o torque.

 

Conclusão

Após análise das geometrias de corte modificadas e seus desempenhos em relação à força de avanço e ao torque, observou-se que as brocas B e C apresentaram as melhores configurações de geometrias para reduzir a força de avanço e o torque, respectivamente.

A análise de variância indicou que a velocidade de corte foi a única variável estudada que apresentou influência significativa na força de avanço e no torque, com um índice de confiabilidade de 95%. Ao usar a maior velocidade de corte de 120 m/min,tanto a força de avanço como o torque aumentaram significativamente. 

Ao passar de um avanço de 0,05 mm/volta para 0,107 mm/volta, houve a tendência da força de avanço não se alterar e o torque aumentar ligeiramente. Analisando de forma geral, o projeto gerou uma melhor compreensão em relação ao panorama geral de como as modificações da geometria da ferramenta podem influenciar no seu desempenho. Os resultados desta pesquisa poderão ser usados como base para projetos futuros, buscando maior entendimento das relações geométricas das ferramentas e produtividade do processo, focando nas geometrias que geraram alterações positivas para melhorar ainda mais o seu rendimento.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem ao técnico Raynier E. E. Garrido pelo auxílio na condução dos testes de usinagem e ao Dr. Leonardo R. R. da Silva pelo apoio nas análises estatísticas.

Responsabilidade pelas informações

Os autores são os únicos responsáveis pelas informações incluídas neste trabalho.

 

Referências

1) Boeira, A.M.G. Modelagem e simulação das forças na furação com brocas helicoidais a partir de dados obtidos no torneamento de segmentos cilíndricos. Tese de doutorado, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, UFSC, Florianópolis/SC, 2010.

 

2) Caitano, T. Furação de aço SAE4144M com brocas helicoidais de metal duro preparadas com diferentes processos de polimento. Dissertação de Mestrado,Programa de

Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Paraná - PUCPR, Curitiba/PR, 2019, 151 p.

 

3) Diniz, A. E., Marcondes, F. C., Coppini, N. L. Tecnologia da usinagem dos metais Artliber Editora, São Paulo, 9a Edição, 2014.

 

4) Machado, A. R., Abrão, A. M., Coelho, R. T., da Silva, M. B. Teoria da usinagem dos metais, 3a Edição,Editora Edgard Blucher, São Paulo, 2015, 407p.

 

5) Schroeter, R. B., Teixeira, C. R. Proposta de metodologia para medição do desgaste em ferramentas de corte de geometria definida. Anais do Conem 2000 - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica – Conem, Natal. 9 p. 2000.

 

6) Stemmer, C. E., Ferramentas de corte 2.4a ed., Editora da UFSC, Florianópolis, 314 p., 2008.