Os esforços de ferramentas de usinagem são diretamente dependentes das propriedades mecânicas do material submetido a esse processo, pois a dureza e a resistência do material restringem o cisalhamento imposto pela ação da ferramenta de corte para formar o cavaco. Entre as propriedades mecânicas, a microdureza e a quantidade de partículas duras são as que apresentam maior influência sobre os esforços de corte, que no caso da furação são as forças de avanço e o momento torçor ⁽³⁾.

A influência da perlita sobre as forças de corte foi investigada na literatura ⁽⁸⁾, em que materiais de CGI com diferentes percentuais de perlita foram submetidos a testes de torneamento. Mantendo os parâmetros de corte, velocidade de corte e avanço, constantes, os resultados mostraram que quanto maior o percentual de perlita, maior a força de corte. Em ensaios de torneamento e fresamento foi percebido que ao aumentar a velocidade de corte, a temperatura tende a subir, e isso contribui para a redução da força de corte ^{(6, 9)}. Isso ocorre porque o aumento da temperatura amolece o material que está sendo usinado. Em outros estudos foi analisada a influência do aumento do avanço sobre outros parâmetros, percebendo-se que ao aumentar o avanço, a força de corte também aumenta, e consequentemente o momento torçor, o que é justificado pelo aumento da seção do cavaco ⁽⁶⁾.

A geometria da broca também influencia no momento torçor e na força de avanço, e isso é mostrado na literatura ⁽¹¹⁾. Neste estudo constatou-se que comparando brocas de canais retos às brocas de canais helicoidais, as primeiras promovem maior força de avanço e de momento torçor. Além disso, diferentes afiações da ponta da broca podem promover aumento do momento torçor. O momento torçor é determinado pela componente de força de corte, que é muito influenciada pelas condições da aresta principal de corte ⁽²⁾. De acordo com a literatura ⁽¹³⁾, a usinagem de ferros fundidos grafíticos na velocidade de corte de 100 m/min pode promover a formação de aresta postiça de corte (APC), e sua presença vai influenciar consideravelmente esta componente de força.

A deposição de revestimento cerâmico sobre a superfície da ferramenta tem como objetivo proteger o substrato da ferramenta de corte de altas temperaturas, atenuar o atrito e a força de corte, evitar a adesão de material à ferramenta, reduzir a formação de aresta postiça de corte (APC) e possibilitar o uso de velocidades de corte superiores. Consequentemente, é possível que a vida da ferramenta de corte também aumente ^(1,10,12).

Assim, é importante estudar o comportamento dos esforços de usinagem e compreender a influência das principais variáveis de entrada no processo de furação de materiais importantes na engenharia. O objetivo deste estudo é avaliar a influência dos parâmetros de corte sobre a força de avanço e o momento torçor, em diferentes estágios de desgaste da ferramenta (nova, 100 µm e máximo desgaste de flanco) na furação a seco do ferro fundido vermicular CGI 500 com brocas revestidas e sem revestimento.

 

Materiais e métodos

Na figura 1a são mostradas as brocas usadas neste estudo. Foram utilizadas brocas de metal duro, com diâmetro de 8 mm, com revestimentos nanoestruturados e com geometria diferenciada (figura 1b). Foram testados os revestimentos multicamadas Fire (TiN+TiAlN), Endurum (TiSiN+TiAlN) e Signum (TiAlSiN), além de brocas sem revestimento. Preliminarmente aos ensaios, foram preparados corpos de provas de ferro fundido vermicular (Compact Graphite Iron) CGI 500 de duas dimensões, barras com dimensões de 390 x 240 x 45 mm e barras menores, com dimensões de 110 x 25 x 45 mm. A figura 2 mostra que as barras maiores foram fixadas diretamente na mesa da máquina com uso de grampos de fixação, e ao lado delas foram fixadas as barras menores por parafusos em uma plataforma piezoelétrica Kistler 9272, usada para medir a força de avanço e o momento torçor. Os ensaios foram feitos em um centro de usinagem vertical Arrow 500 da Cincinati Milacron, que possui motor principal de 5,5 kW de potência e rotação máxima de 6.000 rpm. Para manter a rigidez do conjunto foi usado um mandril hidráulico GM300 SK40 D8 da Gühring para fixação das brocas.

 

Figura 1 – (a) brocas revestidas e broca não revestida com geometria diferenciada; (b) afiação da aresta principal do tipo (R) (fonte: Catálogo técnico Gühring (2022)).

 

Figura 2 – Materiais e equipamentos montados no centro de usinagem.

Os ensaios de vida das ferramentas tiveram a seguinte rotina: a cada 25 furos feitos na barra maior de CGI (para evolução do desgaste), um furo era feito na barra menor de CGI, para medir a força de avanço e momento torçor; a cada ciclo de 26 furos, o ensaio era pausado para medição de desgaste da ferramenta de corte; e caso o critério de fim de vida da ferramenta adotado não fosse atendido, a ferramenta voltava à máquina para mais uma sequência de 26 furos. Os critérios de fim de vida da ferramenta adotados foram: desgaste de flanco VBB de 300 μm; e execução de 469 furos ou ruído estridente, indicando eminência de colapso, o que ocorresse primeiro. O desgaste da ferramenta de corte foi medido em estereomicroscópio Zeiss Discovery V12. Os ensaios foram realizados a seco e os furos foram feitos com profundidade de 17,5 mm e equidistantes entre si, sendo 10 mm a distância de centro a centro dos furos.

Os ensaios foram executados em diferentes condições de corte, avanço e velocidade de corte (tabela 1), sendo, portanto, possível verificar suas influências na força de avanço e no momento torçor. Foi utilizado o planejamento fatorial bk, onde “k” é o número de variáveis de entrada a serem consideradas, que nesse caso foi igual a 3, e “b” é o número de níveis das variáveis a serem testadas. Das três variáveis de entrada, duas são quantitativas (avanço e velocidade de corte) e uma é qualitativa (revestimento da broca). No caso do revestimento, são quatro níveis (sem revestimento, TiN + TiAlN, TiSiN + TiAlN e TiAlSiN). Assim, dois planejamentos 23 foram necessários (tabela 1). Desta maneira, foi possível preparar o planejamento dos ensaios, com combinações dos níveis das variáveis, resultando em oito condições de ensaio em cada planejamento (tabela 2).

 

Cada revestimento (X3) foi testado em quatro condições (C1, C2, C3 e C4), e para aumentar o nível de confiabilidade dos resultados, cada ensaio foi realizado três vezes, totalizando assim 24 ensaios (8x3) em cada planejamento (tabela 2). Este planejamento fatorial, aliado às repetições dos testes, permitiram que ferramentas estatísticas fossem usadas para avaliar os resultados obtidos. Neste caso foi empregado o método de Análise de Variância (ANOVA), estabelecendo o critério de índice de confiabilidade de 95% e 5% de significância. Como foram dois planejamentos (tabela 1), deveriam ser desenvolvidos 48 ensaios de vida. Entretanto, o número de brocas sem revestimento disponíveis era de apenas cinco e, portanto, essas foram testadas uma única vez em cada condição, ao passo que as brocas com revestimento Endurum, apenas 11 unidades, foram testada duas vezes em cada condição, resultando assim em 36 ensaios.

 

 

Resultados e discussões

A análise dos resultados foi feita em três estágios de desgaste, sendo eles sem desgaste, com desgaste de 100 μm e no fim de vida da ferramenta para cada condição, assim como comparando a influência dos parâmetros de corte e dos revestimentos das ferramentas. As colunas que representam as ferramentas sem revestimento não possuem desvio-padrão, pois foi feito somente um teste para cada condição, devido ao número de ferramentas disponíveis.

 

Força de avanço

A figura 3 mostra os resultados da força de avanço obtidos durante os testes. Como pode ser observado, se for considerado somente o resultado médio, com a broca no estado de nova, o revestimento, a velocidade de corte e o avanço não foram influentes na força de avanço, pois na condição 1, entre as ferramentas revestidas, os valores das forças de avanço são muito próximos. Nas condições 3 e 4 o revestimento Fire teve força de avanço menor que as outras ferramentas. Possivelmente, isso é resultado da menor afinidade química do revestimento Fire (TiAlN) com o CGI 500. Os revestimentos Endurum e Signum possuem silício (Si) em sua composição, elemento também presente na composição do ferro fundido vermicular.

 

Nas condições que possuem o maior valor de avanço, condições 1 e 2, esta influência não é percebida, pois os valores médios de força de avanço das ferramentas são similares. Quando é comparada a condição 1 à condição 2, é observado que a força de avanço foi praticamente a mesma, e reduz menos de 5N quando comparada à condição 3. Esta conclusão é ratificada pela Análise de Variância (ANOVA), na qual nenhuma das variáveis apresentaram influências significativas (tabela 3). A figura 3 mostra que este cenário muda assim que a ferramenta de corte apresenta 100 μm de desgaste, pois comparando a condição 3 à condição 4, portanto, a influência do aumento da velocidade de corte, é visto que a força de avanço diminuiu.

O aumento da velocidade de corte promove aumento da temperatura, e isso pode ser benéfico para reduzir a força de avanço, uma vez que a alta temperatura amolece o material que está sendo usinado, e assim reduz os esforços de corte ⁽⁹⁾. Com a aresta de corte com desgaste de 100 μm, o resultado da análise estatística (ANOVA) mudou, agora considerando a velocidade de corte influente sobre a força de avanço (tabela 4). Os resultados da ANOVA da força de avanço com a broca no estado final de desgaste são expostos na tabela 5, mostrando que, para este estágio de desgaste, todas as variáveis foram significativamente influentes sobre a força de avanço.

 

A figura 3 mostra que com as brocas no estado final de desgaste, as brocas sem revestimento obtiveram menores valores de força de avanço para todas as condições testadas, se considerada a média dos resultados. A condição 3 apresentou maiores diferenças de valores de força de avanço entre a broca no estado de nova e a broca com o desgaste final, principalmente quando comparada à condição de corte 2. Nesta comparação, é importante lembrar que a condição 3 tem menor avanço e maior velocidade de corte, o que sugere uma menor compressão axial da ferramenta de corte, e a condição 2 tem o maior avanço e a menor velocidade de corte.

Outros resultados destes ensaios são as temperaturas obtidas, apresentadas na literatura (4). É imprescindível pontuar que na condição 3, quando a broca atingiu seu estágio final de desgaste, um maior valor de temperatura foi atingido, e esse fator contribuiu para o amolecimento do material submetido à usinagem, pois permitiu à ferramenta penetrar/cortar o material com menores forças. Além disso, a condição 3 mostrou valores de força de avanço similares aos da condição 2, que é a condição inversa à condição 3. Este resultado é justificado pelo desgaste da ferramenta de corte, pois, ao fim dos ensaios, as ferramentas usadas na condição 2 estavam menos desgastadas que as ferramentas utilizadas na condição 3, ou seja, uma menor área de contado entre ferramenta e material que está sendo usinado, o que reduz a força axial na ferramenta de corte.

 

Momento torçor

Para todos os estágios de desgaste da ferramenta de corte, as análises de variância indicaram que todos os parâmetros de entrada, Vc, fz e ferramenta, foram significativamente influentes no momento torçor (tabela 6, p-valores <0,05). A figura 4 mostra o comportamento do momento torçor durante a furação do CGI 500, para os diferentes estágios de desgaste das ferramentas, em todas as condições de corte testadas. Observa-se que em algumas situações as brocas novas apresentaram momento torçor maior que as desgastadas. Isso ocorreu, possivelmente, porque o desgaste pode moldar melhor o cavaco, e, em alguns casos, se o desgaste for muito pequeno, pode afiar a aresta de corte, reduzindo os esforços. A ferramenta Fire tem honing 8 µm maior em comparação à broca sem revestimento. Esta diferença do raio da aresta parece não ter influenciado o momento torçor, pois as ferramentas obtiveram valores de momento torçor similares, na maioria das condições.

 

A figura 4 também mostra que em todas as condições a broca com revestimento Endurum, no estado de broca nova, foi a ferramenta que apresentou o menor momento torçor. Entretanto, em comparação com as brocas revestidas e as não revestidas, na maioria das condições, não se notou uma influência nítida dos revestimentos sobre o momento torçor. Devido aos parâmetros de corte usados, se esperava que a condição 3 promovesse menor momento torçor nas ferramentas de corte, quando comparada à condição 1, a qual possui maior avanço. Isso não é visto na figura 4, pois, com as brocas ainda no estado de novas, a condição 3 teve o maior momento torçor. Uma explicação para esta situação é a possibilidade de o cavaco mais fino da condição 3 ter tido maior dificuldade de evacuação, aumentando o momento torçor. Isso pode ter ocorrido pelo fato de cavacos mais finos serem mais propensos a dobramentos e contatos mais frequentes com as paredes dos furos e os canais das brocas.

Com relação ao efeito da velocidade de corte, observa-se que tanto para o maior avanço, condições de corte 1 e 2, como para o menor, condições 3 e 4, a menor velocidade de corte apresentou o menor momento torçor. Esses resultados são contrários aos esperados, uma vez que a maior velocidade de corte tende a gerar maior quantidade de calor e aumentar a temperatura na interface cavaco-ferramenta, facilitando a formação do cavaco (5,7). Uma explicação é a possibilidade de ter ocorrido a formação da aresta postiça de corte (APC) na menor velocidade de corte, o que tende a reduzir a força de usinagem, pois APC é menor que o contato cavaco-ferramenta, e o ângulo de saída é maior com APC ⁽⁷⁾.

Foi mencionada a influência do desgaste da ferramenta de corte nas forças desenvolvidas durante a furação. E isso novamente fica claro aqui, pois na maioria dos ensaios o aumento de temperatura promovido pelo desgaste da ferramenta de corte também influenciou no momento torçor, visto que o momento torçor com as brocas desgastadas é menor quando comparado com as brocas novas. A condição 3 deixa isso mais evidente, pois esta condição foi a que apresentou os maiores valores de desgaste, e, na maioria dos ensaios, também a maior mudança do valor do momento torçor, quando comparada a broca no estado de nova com a broca desgastada.

Esperava-se um valor de momento torçor maior na condição 2, quando comparado ao da condição 3, pois menor velocidade de corte e maior avanço promovem aumento da seção de cavaco, e isso, consequentemente, propicia o aumento do momento torçor na ferramenta de corte ⁽⁶⁾. Entretanto, entre as condições testadas, foi na condição 2 que ocorreu o menor valor de desgaste, e isso fez com que as ferramentas testadas nesta condição, a qual é a menos favorável para a redução do momento torçor devido aos parâmetros de corte, obtivessem valores de momento torçor inferiores aos valores apresentados por ferramentas testadas na condição 3, a qual possui os parâmetros de corte mais favoráveis para um menor momento torçor na broca.

 

Conclusão

Com a broca no estado de nova, a velocidade de corte, o avanço e revestimento, estatisticamente, não influenciam a força de avanço. O desgaste da ferramenta influenciou a força de avanço, neste caso negativamente, pois mesmo a condição 3 possuindo os parâmetros de corte mais favoráveis para a menor força de avanço, esta condição apresentou valores de força de avanço similares aos da condição 2, a qual tem os parâmetros de corte menos favoráveis para a menor força de avanço. A velocidade de corte, o avanço e revestimento influenciaram o momento torçor, para os estados de desgaste analisados.

Mesmo a condição 2 possuindo os parâmetros de corte menos favoráveis para o menor momento torçor, o menor desgaste das ferramentas fez com que elas apresentassem menor momento torçor em comparação à condição 3, a qual tinha os parâmetros de corte mais favoráveis para o menor momento torçor. Esses resultados permitiram compreender melhor o efeito de diferentes revestimentos de brocas de metal duro na furação do ferro fundido vermicular CGI 500, material muito usado na fabricação de blocos de motores a diesel, em diferentes condições de corte.

 

Agradecimentos

Este estudo somente foi possível graças ao apoio da Gühring Brasil, que forneceu as brocas, e do MSc. Eng. Cássio Luiz Francisco de Andrade, assim como ao apoio da CAPES, pela bolsa de estudo, da Pontíficia Universidade Católica do Paraná (PUCPR), pela infraestrutura e a disponibilidade de laboratório, e do Prof. Dr. Álisson Rocha Machado, pela orientação, aos quais os autores são gratos.

 

Responsabilidade pelas informações

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

 

Referências

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