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SOCIEDADE EDUUCACIONAL DE SANTA CATARINA - SOCIESC
ESPECIALIZAÇÃO EM TECNOLOGIA DA USINAGEM
Tendências nos Processos de Usinagem
Prof. Dr. Adilson José de Oliveira
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Sumário
Sumário ........................................................................................................................................ i
Introdução ................................................................................................................................... 1
Capítulo 1 – Usinagem de aços endurecidos .............................................................................. 3
1.1 Aços endurecidos ................................................................................................ 3
1.2 Torneamento de aços endurecidos ...................................................................... 6
1.3 Fresamento de aços endurecidos ...................................................................... 18
1.4 Gerenciamento de ferramentas na manufatura ................................................. 29
Referências Bibliográficas ........................................................................................................ 33
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Introdução
O processo de manufatura inicia-se com o planejamento do processo e finaliza-se com o
produto acabado. Desta forma, o planejamento do processo é um ponto crítico no processo de
manufatura, uma vez que, neste momento, ocorrem decisões para determinar a seqüência mais
eficiente para produção e, conseqüentemente, os principais elementos que compõem os custos
do produto. O planejamento do processo requer o conhecimento da capacidade, das limitações
dos equipamentos e de pessoal de uma empresa, com o objetivo de determinar o melhor
processo de produção para uma determinada realidade.
O planejamento do processo envolve etapas tais como a definição da forma e tamanho
da matéria-prima; quantidade de operações do processo, ferramental necessário, sistemas de
fixação e dispositivos para cada operação; programação e definição da preparação das
máquinas-ferramentas; métodos de inspeção e avaliação da capacidade do processo em cada
operação. Esta última etapa tem com objetivos entender o comportamento do processo em
entidades críticas, fornecer informações para a melhoria contínua e, também, ser fonte de
dados para processos similares.
Nos início da década de 1990, com o objetivo de minimizar o número de atividades
acima descritas, reduzir os custos de produção e a quantidade de funcionários, principalmente
de áreas técnicas, grandes empresas determinaram contratos externos para execução das
atividades de produção e, em alguns casos, algumas atividades de engenharia. Neste tempo,
termos como reengenharia, terceirização e “downsizing” eram amplamente descritos nas áreas
responsáveis pelo planejamento estratégico da empresa. A idéia era que, adotando estes
conceitos, a empresa tornar-se-ia mais enxuta, poderia dar mais atenção ao desenvolvimento
do projeto do produto e transferir os muitos dos problemas das etapas citadas nos processos
produtivos aos terceirizados.
Entretanto, depois de alguns anos de adoção destes conceitos, muitas empresas
terceirizantes chegaram à conclusão que esta idéia se tornou um grande “equívoco
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estratégico”. As empresas perderam competências essências para a sobrevivência, devido ao
desconhecimento de aplicação de novas tecnologias no processo e falta de informações do
processo para desenvolvimento de novos produtos, entre outros aspectos negativos. A solução
para esta dificuldade foi aumentar a quantidade de funcionários em áreas técnicas e transferir
o processo novamente para a planta da empresa. Este exemplo demonstra a vital importância
do conhecimento do processo de fabricação de um produto para a empresa.
A realidade atual estabelece desafios às empresas como a intensa competição
internacional, altas taxas de desenvolvimento de produtos, mercados fragmentos e exigentes.
Deste modo, o tempo de desenvolvimento de projeto e processo encurtou-se fortemente com a
aplicação de sistemas integrados de projeto, engenharia, manufatura e inspeção auxiliados por
computador. Ainda, o custo do desenvolvimento deve ser reduzido, no projeto, com a
utilização de simulações em ambiente virtual e prototipagem rápida e, na manufatura, com a
possibilidade de testar diferentes estratégias de produção sem a necessidade de parar
máquinas-ferramentas no ambiente produtivo. Também há a necessidade de redução do
inventário de dispositivos e ferramentas e sistemática qualificação dos colaboradores.
Nos processos que envolvem a usinagem, além a integração CAD/CAE/CAM e da
tecnologia CNC, exemplos da aplicação de novas tecnologias no desenvolvimento do
processo são as ferramentas para usinagem e as máquinas-ferramenta. Nas ferramentas para
usinagem, os substratos, as coberturas de ferramentas e os sistemas de fixação têm
possibilitado a usinagem de materiais complexos e de elevada dureza. Para materiais de
menor dificuldade de usinagem, uma brusca redução do tempo de usinagem tornou-se
possível quando comparado com poucos anos atrás. Para suportar a capacidade das
ferramentas de usinagem, as modernas máquinas-ferramenta e dispositivos possibilitam
elevados valores de rotação, velocidade de avanço, aceleração e amortecimento de vibrações
além da minimização do tempo para troca de ferramentas e recursos para redução no tempo de
preparação, entre outros detalhes.
Portanto, a atualização tecnológica torna-se indispensável tanto para a sobrevivência das
empresas quanto a dos funcionários envolvidos com os processos de manufatura. Com o
objetivo de contribuir com informações para os envolvidos nos processos de usinagem,
apresenta-se algumas tendências aplicadas aos processos de usinagem. Desta forma, pretende-
se descrever conceitos teóricos e práticos dos recursos tecnológicos disponíveis para a
melhoria nestes processos.
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Capítulo 1 – Usinagem de aços endurecidos
1.1 Aços endurecidos
Os aços são ligas ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros
elementos de formação de liga. Existem milhares de ligas que possuem composições e
tratamentos térmicos diferentes. As propriedades mecânicas são sensíveis ao teor de carbono,
o qual é normalmente inferior a 1% em massa.. Este teor de carbono, de uma forma geral, tem
relação com a capacidade do aço em modificar suas propriedades em função do tratamento
térmico. A capacidade de aumento de dureza de um aço, após a austenitização e têmpera, é
uma das propriedades dependentes do teor de carbono (TOTTEN e HOWES, 1997).
Os aços são classificados em aços carbono, aços com baixo teor de elementos de liga (≤
8% em massa) e aços com alto teor de elementos de liga (> 8% em massa). Os aços carbono,
como o próprio nome sugere, são classificados de acordo com sua concentração de carbono,
normalmente divididos em: baixo, médio e alto carbono. Os aços de baixo carbono contêm
geralmente menos do que 0,25% de carbono (em massa) e não respondem a tratamentos
térmicos que objetivados a formar a microestrutura martensítica. Como conseqüência, estas
ligas são relativamente moles e pouco resistentes, porém possuem ductilidade e tenacidade
excepcionais. Em contrapartida, são aços de alta usinabilidade. Uma alternativa para aumento
da dureza superficial destes aços é o tratamento de cementação, têmpera e revenimento. Deste
modo, uma camada fina, tipicamente de 0,8 a 1,2 mm de espessura, na superfície da peça tem
elevada dureza e o núcleo permanece com as mesmas propriedades de ductilidade e
tenacidade (CALLISTER, 2006).
Os aços de médio carbono contêm normalmente concentrações entre 0,25% e 0,6% de
carbono (em massa). Essas ligas podem ser tratadas termicamente por austenitização, têmpera
e revenimento para melhorar suas propriedades mecânicas. Deste modo, uma microestrutura
de martensita revenida pode ser alcançada principalmente em peças de pequena espessura ou
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com secções transversais limitas. Estes aços apresentam, principalmente, em durezas
superiores a 35 HRC, maiores dificuldades para a usinagem (CALLISTER, 2006).
Os aços com alto teor de carbono, os quais normalmente possuem teores de carbono
entre 0,6 e 1,4 % (em massa), são os mais duros e os mais resistentes. Porém, são os menos
dúcteis dentre todos os aços carbono. Estes aços são usados quase sempre em uma condição
de microestrutura de martensita revenida e, como tal, são especialmente resistentes à abrasão.
Os aços com alto teor de carbono apresentam uma baixa usinabilidade ao serem comparados
com os demais aços, ou seja, grande dificuldade de usinagem no estado endurecido. Nestes
casos, e a determinação do processo de usinagem é um fator crítico para manufatura do
componente (CALLISTER, 2006).
Os aços com baixo teor de liga demonstram propriedades mecânicas superiores as dos
aços carbono como resultado da adição de elementos de liga como níquel, cromo e
molibdênio. Estas adições melhoram a capacidade destas ligas de serem tratadas
termicamente, dando origem a uma variedade de combinações resistência-ductilidade. Para
muitos aços desta categoria, a principal função dos elementos de liga é aumentar a dureza e
otimizar a tenacidade após tratamento térmico. Em alguns casos, estes elementos de liga
também têm como função reduzir a degradação do material em função do ambiente ao qual
será submetido.
Os aços para ferramentas e matrizes são usualmente ligas de alto teor de carbono,
contendo geralmente cromo, vanádio, tungstênio e molibdênio em suas composições. Esses
elementos de liga se combinam com o carbono para formar carbonetos, os quais são
especialmente duros e capazes de manter um fio de corte afiado. Também, em função do teor
de carbono, formam a microestrutura de martensita revenida. A classe de aços com elevado
teor de elementos de liga compreendem materiais com este propósito. Normalmente, estes
aços formam subgrupos que são principalmente utilizados em três casos: resistência à
corrosão, resistência ao calor e resistência ao desgaste.
A figura 1 mostra o perfil de dureza após tratamento térmico em corpos-de-prova de
diferentes diâmetros para aços os diferentes tipos de aços aplicados na indústria metal-
mecânica.
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Figura 1- Perfil de dureza para aços (a) baixo carbono cementado; (b) médio carbono e
baixo teor de liga; e (c) médio e alto teor de liga (com variação no diâmetro)
Como pode ser verificado na figura 1a, em um aço de baixo carbono se utiliza como
alternativa para aumento da dureza superficial o tratamento térmico de cementação, têmpera e
revenimento. Neste caso, uma camada normalmente de 0,8 a 1,2 mm tem uma dureza elevada
(aproximadamente 58 HRC) e o restante do corpo uma dureza muito inferior. Na figura 1b, o
perfil de dureza de dois aços (médio carbono e baixo teor de liga) são mostrados em um
corpo-de-prova de diâmetro 50 mm. Para o aço ABNT 4140 (baixo teor de liga), há uma leve
redução da dureza com a aproximação do núcleo, contudo, para o aço ABNT 1040 (médio
carbono), ocorre uma drástica redução de dureza ao ser comparar a periferia do corpo-de-
prova com o núcleo. Esta diferença no perfil de dureza ao longo do diâmetro do corpo-de-
prova, ao se comparar os diferentes aços, está principalmente associada aos elementos de liga
presentes no material. Na figura 1c, mostra-se o perfil de dureza do mesmo aço de baixo teor
de liga e, também, um perfil de dureza de um aço de alto teor de carbono. Como pode ser
notado, conforme ocorre um aumento do diâmetro do corpo-de-prova, existe uma maior
diferença entre a dureza da periferia e do núcleo principalmente para o aço com baixo teor de
liga. Este fato está ligado a dificuldade de extração de calor em regiões centrais do corpo-de-
prova. Por outro lado, na mesma figura, mostra-se o perfil de dureza de um aço de alto teor de
liga. Neste caso, nota-se que mesmo com um diâmetro de 100 mm, a redução na dureza entre
periferia e núcleo torna-se muito reduzida.
Estas informações auxiliam os engenheiros e projetistas na tomada de decisão de
escolha dos aços durante o desenvolvimento de um projeto, pois muitos componentes
necessitam ter um balanço entre dureza e tenacidade para atender às exigências de
carregamento e às de resistência ao desgaste. Exemplos destas aplicações típicas incluem
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eixos, pistões, engrenagens, molas, insertos, guias, cavidade de moldes e matrizes. Nestes
casos, uma ampla gama de aços e possibilidades de tratamentos térmicos pode ser utilizada.
Mas do ponto de vista da manufatura destes componentes, processos de usinagem são
normalmente realizados após o tratamento térmico. A meta da operação de usinagem é a
determinação das dimensões finais e da integridade superficial necessária no componente.
Ainda, em alguns casos, o tratamento térmico é realizado antes da operação de desbaste, o que
promove dificuldades adicionais ao processo de usinagem, pois um volume maior de material
deverá ser removido no estado temperado e revenido. Como a usinabilidade tem relação direta
com a dureza do aço, muitos desafios surgem para a usinagem dos referidos materiais no
estado endurecido. Os tópicos em seguida descrevem as tendências nos processos de
usinagem de aços no estado endurecidos (JUVINALL e MARSHEK, 2005).
1.2 Torneamento de aços endurecidos
Tradicionalmente, os processos de acabamento em peças de revolução em aços
endurecidos são realizados por operações de retificação. As operações de retificação são
capazes de manter estreitas tolerâncias dimensionais e reduzidos valores de rugosidade.
Entretanto, nos últimos anos, outras operações tornaram-se capazes de manter tolerâncias
dimensionais e valores de rugosidade nos mesmos níveis do que as operações de retificação.
Adicionalmente, estas alternativas apresentam alta flexibilidade, aumento na taxa de remoção
de material e possibilidade da usinagem isenta de fluido de corte.
As demandas da indústria são por maior flexibilidade, altas taxas de remoção e a
possibilidade da usinagem com Mínima Quantidade de Lubrificação (MQL) ou isenta de
fluido de corte, mesmo no caso de operações de acabamento em aços endurecidos. Estas
necessidades tornam-se fortes restrições aos processos de retificação cilíndrica na indústria.
Nestes casos, o torneamento de aço no estado endurecido, tratado aqui como “torneamento
duro”, tem sido uma alternativa ao processo de retificação. As principais vantagens do
torneamento de aços no estado endurecidos são: alta flexibilidade do processo, aumento na
taxa de remoção de material e viabilidade da usinagem isenta de fluido de corte. A viabilidade
do torneamento de aços no estado endurecido está relacionada com a disponibilidade de
materiais de ferramentas de ultraduros, o aumento da rigidez das máquinas-ferramenta e dos
dispositivos de fixação de peças e ferramenta. Klocke, Brinksmeier e Weinert (2005) fazem
uma comparação genérica e qualitativa entre o torneamento duro e a retificação. A figura 2
mostra o comportamento dos processos em função dos diferentes requisitos.
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Figura 2 – Comparação das características da retificação com o torneamento duro
(KLOCKE, BRINKSMEIER e WEINERT, 2005)
A figura 2 mostra que a retificação torna-se apropriada nas situações com estreitas
faixas de tolerâncias dimensionais, menores valores de rugosidade e maior capacidade real do
processo. Por outro lado, o torneamento duro promove vantagens em função da maior taxa de
remoção de material, flexibilidade do processo, tempo de preparação de máquina, utilização
de fluido de corte e danos à superfície do material usinado. Como esta análise tem caráter
qualitativo, a aplicação de cada alternativa deve levar em consideração características do
processo e do produto. A comparação conclui que as maiores restrições em cada processo são:
na retificação, o custo; no torneamento duro, a confiabilidade.
Com o objetivo de entender o comportamento específico dos processos de torneamento
duro, diversos estudos têm sido realizados. Dificuldades para o torneamento duro, tais como
elevada porcentagem de carbonetos duros no material usinado, rigidez do sistema de fixação
de peças e ferramentas e o corte interrompido têm sido o objetivo destes estudos. Aços com
elevada porcentagem de carbonetos duros tendem a causar avarias nas ferramentas de corte
(microlascamentos e fratura). Além disso, em geometrias de peças que promovem o corte
interrompido, os desafios estão focados na tenacidade do material da ferramenta para suportar
os cíclicos choques com o material usinado.
Em função dos motivos descritos anteriormente, no torneamento duro, o desgaste da
ferramenta é o principal motivo de atenção. Reduzidos valores de rugosidade, mínimos danos
superficiais ao componente e as estreitas tolerâncias dimensionais podem ser atingidos com
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ferramentas com pequenos valores de desgaste. Contudo, em ambientes de produção seriada,
a maximização da vida da ferramenta necessita ser alcançada para justificar os custos do
processo. Em outras palavras, a viabilidade do processo depende de que as especificações do
componente sejam mantidas ao longo de toda a vida da ferramenta. Neste sentido, a
compreensão dos mecanismos e das taxas de desgaste em diferentes materiais e classes de
ferramenta para o torneamento duro é o fator preponderante.
O PCBN (Nitreto de Boro Cúbico Policristalino) é o principal material utilizado para o
torneamento duro devido à elevada dureza, à resistência ao desgaste e à alta estabilidade em
elevadas temperaturas. As ferramentas de PCBN normalmente são classificadas em duas
classes: alto teor de PCBN e PCBN com adição de fase cerâmica (normalmente Nitreto de
Titânio). A classe com alto teor de PCBN demonstra maior tenacidade do que a classe de
PCBN com fase cerâmica. Em contrapartida, a classe de PCBN com fase cerâmica apresenta
maior resistência ao desgaste difusivo, característica importantíssima no corte contínuo de
aços. Com o objetivo de entender o comportamento de ferramentas PCBN no corte contínuo,
semi-interrompido e interrompido, Diniz e Oliveira (2008) realizaram ensaios com as duas
classes de material de ferramenta e dois tipos de microgeometria de aresta de corte (chanfro e
chanfro com arredondamento). O material usinado foi o aço ABNT 4340 temperado e
revenido para 56 HRC de dureza. Os experimentos consistiam em sucessivos passes de
torneamento radial (faceamento) nos três tipos de superfícies até o momento em que a
ferramenta atingisse os critérios de fim de vida (VBB = 0,20 mm ou 100 minutos de
usinagem). A figura 3 mostra os resultados.
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Figura 3 – Vida de ferramenta em função da geometria da peça, classe e microgeometria
da ferramenta (DINIZ e OLIVEIRA, 2008)
Como pode ser visto na figura 3, e confirmado por análises estatísticas, a geometria do
corpo-de-prova e a classe do material da ferramenta influenciam significativamente a vida da
ferramenta. A microgeometria da ferramenta (chanfro e chanfro com arredondamento) não
apresenta influência significativa nos resultados de vida. Do ponto de vista de classe de
material, a utilização de PCBN com adição de fase cerâmica sempre apresentou vida de
ferramenta maior que a classe de alto teor de PCBN, independentemente da microgeometria
da aresta e do tipo de superfície usinada. Este resultado é atribuído à fase cerâmica na
composição do material. De acordo com Chou e Evans (1999), a classe de PCBN com adição
da fase cerâmica possui menor condutividade térmica e menor dureza do que a classe com
alto teor de PCBN. Em teoria, elevada condutividade térmica e dureza promovem uma maior
retirada do calor da região de corte e maior resistência ao desgaste abrasivo, respectivamente.
Entretanto, a propriedade que explica a maior vida da classe de PCBN com adição de fase
cerâmica quando comparada com a classe de alto teor de PCBN, no torneamento duro, é a
menor tendência ao desgaste difusivo. A figura 4 mostra o desgaste de flanco das arestas de
corte utilizadas no corte contínuo com os dois materiais de ferramenta.
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Figura 4 – Desgaste de flanco em ferramentas com Alto teor de PCBN e PCBN com
adição de fase cerâmica no corte contínuo
Conforme a figura 4, as ferramentas com alto teor de PCBN tendem ao desgaste
difusivo (formação de cratera) durante o torneamento duro em função da afinidade química
entre material usinado e da ferramenta. Por outro lado, com o torneamento utilizando
ferramenta de PCBN com adição de fase cerâmica, o mecanismo de desgaste na superfície de
folga é a abrasão. Isto promove uma maior vida para a ferramenta de PCBN com adição de
fase cerâmica ao ser comparada às ferramentas com alto teor de PCBN.
Outro ponto identificado na análise dos resultados é que o corte interrompido sempre
apresentou vida de ferramenta maior do que o corte semi-interrompido e contínuo,
independentemente da microgeometria da aresta e da classe de PCBN. Conforme Trent e
Wright (2000), o aumento da temperatura estimula os mecanismos de desgaste como abrasão
e difusão, porque reduz a dureza da ferramenta e, então, torna mais fácil a remoção de
partículas da ferramenta e, também, estimula a troca de partículas entre cavaco e ferramenta
(difusão). Portanto, manter a temperatura em níveis mais baixos geralmente aumenta a vida da
ferramenta. Deste modo, estima-se que a ferramenta permaneceu em temperatura mais baixa
quando o corte interrompido foi utilizado, devido a três fatores: a) devido às interrupções, a
propagação de calor dentro da peça foi prejudicada e, portanto, a ferramenta tocava uma parte
mais fria da peça a cada 90o de rotação; b) com a rotação da peça, um fluxo de ar era gerado
nos sulcos que tornavam o corte interrompido, o que ajudou a manter a peça e a ferramenta
fria; c) porque a ferramenta cortava somente uma pequena parcela da peça entre dois sulcos,
não havia tempo suficiente para gerar uma zona de aderência entre cavaco e superfície de
saída da ferramenta. Quando esta zona de aderência ocorre, altas tensões de compressão, altas
taxas de deformação e altas temperaturas também ocorrem e, portanto, a troca de partículas
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entre cavaco e ferramenta é estimulada, causando desgaste de cratera na superfície de saída da
ferramenta. Não se percebeu nenhum desgaste de cratera na ferramenta quando o corte
interrompido foi usado.
Resumidamente, esta análise mostra que a utilização de ferramentas PCBN com adição
de fase cerâmica, apesar de promover menor condutividade térmica e menor dureza da
ferramenta, apresenta maiores valores de vida em função da menor tendência ao mecanismo
da difusão. Ainda, no corte interrompido, a vida da ferramenta foi superior da do corte
contínuo e semi-interrompido em função da menor temperatura na aresta de corte durante o
processo.
Apesar de o PCBN ser o principal material de ferramenta para utilização no
torneamento de aço endurecido, em algumas aplicações, o alto custo deste material de
ferramenta restringe o seu uso. Alguns exemplos são: a indústria de moldes e matrizes e o de
peças de manutenção. Nestes casos, a aplicação é caracterizada por um restrito número de
peças a serem produzidas além das diferentes geometrias presentes nestes componentes.
Consequentemente, estas características demandam uma grande quantidade de ferramentas, o
que torna a utilização deste material de ferramenta inviável. Portanto, materiais de
ferramentas alternativos, os quais possam reduzir significativamente os custos de ferramenta
sem prejudicar fortemente o desempenho do processo são possibilidades de melhoria no
processo de torneamento duro.
Uma breve análise nas propriedades dos materiais para ferramentas sugere como
alternativas ao uso de PCBN as cerâmicas de óxido de alumínio (Al2O3) e as de metal duro
com cobertura. Entretanto, ferramentas de óxido de alumínio puro têm limitado sucesso em
operações de torneamento duro em função da baixa resistência ao choque térmico e da restrita
resistência à fratura. Microlascamento e quebras são avarias comuns durante a utilização deste
material de ferramenta. Estas avarias são resultantes de inclusões duras no material usinado,
elevadas forças de corte, vibrações e inadequadas entradas e saídas de ferramenta na peça. A
resistência à fratura e ao choque térmico podem ser melhoradas com a adição de ZrO2, TiC,
TiN ou com reforço whiskers de SiC na composição química. Somado às adições nas
cerâmicas, a utilização de sistemas de fixação de peças e ferramentas extremamente rígidas
torna-se também pré-requisitos para este material de ferramenta. Nestas condições,
ferramentas de cerâmica reforçadas com whiskers de SiC são até recomendadas pelos
fabricantes para o corte interrompido. Com relação às ferramentas de metal duro com
cobertura, algumas classes demonstram apropriada resistência ao choque térmico e à fratura
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durante a usinagem de aços endurecidos. Contudo, estas ferramentas demonstram limita vida
ao tornear materiais aços no estado endurecidos principalmente em função das altas taxas de
desgaste abrasivo e das interações químicas com o material da peça (YALLESE et al, 2005;
STEPHENSON e AGAPIOU, 1996).
Com o objetivo de entender o comportamento das ferramentas de óxido de alumínio
(Al2O3) comparadas com ferramentas PCBN, tanto no corte contínuo quanto no corte
interrompido, estudos foram realizados por Grzesik e Zalisz (2008) e Diniz e Oliveira (2008).
A figura 5 mostra os resultados da comparação de ferramentas de PCBN com adição de fase
cerâmica e ferramentas de óxido de alumínio reforçadas com whiskers de SiC. Os ensaios
também consistiam em passes de torneamento radial do corpo-de-prova até atingir o critério
de fim de vida da ferramenta (VBB = 0,20 mm).
Figura 5- Vida de ferramenta em função da geometria da peça e material da ferramenta
(DINIZ e OLIVEIRA, 2008)
Três diferenças importantes existem na realização destes ensaios quando comparados
com os descritos na figura 3. A primeira está relacionada como critério de fim de vida: neste
caso, o ensaio apenas era paralisado quando a ferramenta atingisse o desgaste de flanco (VBB
= 0,20 mm). Nos ensaios anteriores, também ocorreu a finalização do ensaio quando a
ferramenta atingia 100 minutos de usinagem. A segunda diferença é que o corpo-de-prova
com corte semi-interrompido (peça com furos na face) foi descartado dos ensaios por
apresentar resultados muito próximos ao do corte contínuo. Neste caso, incorporou-se nos
ensaios um corpo-de-prova com o dobro do número de interrupções do corte anterior. Deste
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modo, existem duas formas de corte interrompido, com 4 e 8 rasgos que promovem
interrupções durante a usinagem da face. A terceira e última diferença está relacionada à
microgeometria da ferramenta: apenas ferramentas com aresta chanfrada foram utilizadas para
estes ensaios.
Na figura 5, é possível notar que, no corte contínuo, ocorre uma significativa diferença
na vida ao se comparar as ferramentas de cerâmica reforçada como whiskers e de PCBN com
adição de fase cerâmica. As ferramentas de PCBN com adição de fase cerâmica possibilitam,
em média, uma vida três vezes maior do que ferramentas de cerâmica reforçada com
whiskers. Neste caso, uma rigorosa análise de custo-benefício deve ser realizada para suportar
a tomada de decisão de que ferramenta utilizar, uma vez que ferramentas de PCBN têm o
custo três vezes maior do que ferramentas cerâmicas.
A explicação da maior vida de ferramenta com a utilização de ferramentas PCBN com
fase cerâmica no corte contínuo novamente pode explicada com os mecanismos de desgaste.
A figura 6 mostra o desgaste de flanco das arestas de corte utilizadas no corte contínuo em
com os dois materiais de ferramenta.
Figura 6 - Desgaste de flanco nas ferramentas de PCBN com adição de fase cerâmica e
cerâmica reforçada com whiskers no corte contínuo
Ferramentas de cerâmica baseadas em óxido de alumínio (Al2O3) são quimicamente
estáveis até temperaturas da ordem de 1200 ºC e, frequentemente, têm pequena ou nenhuma
tendência ao desgaste difusivo durante a usinagem. Mas esta estabilidade química é reduzida
em classes que contêm reforços de carboneto de silício (SiC). O SiC reage quimicamente com
o ferro em elevadas temperaturas, o qual contribui para tornar o desgaste difusivo mais
acentuado, inclusive na superfície de folga (STEPHENSON e AGAPIOU, 1996). Esta
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característica das ferramentas de cerâmica reforçada com whishers, conforme mostra a figura
6, é evidenciada por um desgaste de flanco com uma superfície mais lisa quando comparada
com a superfície do desgaste de flanco ocorrido na ferramenta de PCBN com adição de fase
cerâmica. Esta é a principal explicação da maior vida de ferramentas PCBN no corte contínuo
quando comparado com ferramentas de cerâmica reforçada.
Independentemente do tipo de corte interrompido, a vida de ambos materiais de
ferramenta foi relativamente similar. Novamente, estes resultados são associados à
temperatura na aresta de corte. Com o corte interrompido, menores temperaturas ocorrem na
interface cavaco-ferramenta e, com isso, reduz a taxa de desgaste principalmente para a
ferramenta de menor dureza. Por outro lado, uma característica na superfície de flanco da
ferramenta cerâmica desgastada desperta muita atenção. A figura 7 mostra o desgaste de
flanco das arestas de corte utilizadas no corte interrompido para os dois materiais de
ferramenta.
Figura 7 – Desgaste de flanco nas ferramentas de PCBN com adição de fase cerâmica e
cerâmica reforçada com whiskers no corte interrompido (8x)
Nas figura 7 torna-se possível verificar que o desgaste na ferramenta de PCBN foi
homogêneo em praticamente todo o contato com a peça na superfície de folga. Além disso,
nas extremidades de contato, ficam evidentes riscos abrasivos. Com a utilização de ferramenta
de cerâmica reforçada com whiskers, uma característica diferente aparece no desgaste de
flanco: diversos sulcos ao longo do contato ferramenta-peça. Estes sulcos têm profundidade
em relação ao contorno da aresta de corte de alguns mícrons. Shaw (2004) descreve que uma
hipótese para formação destes sulcos é o fenômeno causado pela ação abrasiva do perfil de
usinagem deixado pela operação anterior. Deste modo, o perfil de rugosidade deixado pelo
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operação de faceamento permite que, em materiais com restrições de carregamento
localizado, ocorra a formação de sulcos de origem abrasiva.
O impacto desta característica na superfície de folga das ferramentas cerâmicas
reforçadas com whiskers é diretamente refletido na rugosidade da superfície usinada. A figura
8 mostra o perfil de rugosidade ao longo da vida da ferramenta nos casos de corte com 8
interrupções em que as ferramentas mostradas na figura 7 foram utilizadas.
Figura 8 – Perfil de rugosidade para ferramentas de PCBN com adição de fase cerâmica
e cerâmica reforçada com whiskers no corte interrompido (8x)
Como pode ser observado na figura 8, o impacto do corte interrompido para ferramentas
cerâmicas reforçadas com whiskers é muito mais significativo do que para ferramentas de
PCBN com adição de fase cerâmica. Inicialmente, os valores de rugosidade para 10 minutos
de corte são muito maiores no caso de ferramentas cerâmicas. No caso da ferramenta de
PCBN, ocorre ao longo da vida, uma tendência de estabilização dos valores de rugosidade –
aproximadamente em torno de Ra = 0,6 m – enquanto que no caso de ferramentas cerâmicas,
a tendência é de aumento progressivo dos valores – praticamente em uma taxa constante. Este
fenômeno pode ser explicado com o surgimento e crescimento dos sulcos mostrados na figura
7. Com o aumento progressivo do tamanho dos sulcos, causados pelo desgaste abrasivo,
ocorre um direto aumento da rugosidade na superfície usinada pela ferramenta.
Portanto, levando em consideração a vida de ferramenta e os valores rugosidade na peça
usinada, as ferramentas de PCBN com adição de fase cerâmica mostram-se como uma opção
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mais adequada para processos produtivos com grande quantidade de peças e com restrito
valor de rugosidade. Contudo, em casos de lotes pequenos de peças e com valores de
rugosidade não estreitos, ferramentas de óxido de alumínio reforçadas com whiskers podem
ser uma boa solução de custo–benefício.
Mas a análise das características de processamento tem impacto no comportamento do
componente no uso. Portanto, uma análise da influência das características proporcionadas
pelo processo de manufatura no comportamento da peça ao longo de sua vida torna-se
imprescindível.
Deste modo, as diferentes características geométricas da aresta de corte no torneamento
duro e dos grãos abrasivos na retificação criam diferentes estruturas de superfície da peça. Por
exemplo, uma superfície torneada mostra marcas de avanço muito mais definidas e regulares
do que aquelas apresentadas por uma superfície retificada. Entretanto a diferença mais
significada entre uma superfície torneada e retificada está nas tensões residuais induzidas pela
ferramenta. Principalmente com aresta de corte nova, o torneamento induz tensões
compressivas relativamente profundas na superfície, enquanto, a retificação produz tensões
compressivas máximas na superfície do material. Tensões compressivas relativamente
profundas e induzidas pelo processo de torneamento duro são muito mais benéficas do ponto
de vista de resistência à fadiga do que tensões de compressão promovidas pelo processo de
retificação.
Com o objetivo de entender o comportamento de superfícies submetidas ao torneamento
duro e à retificação, Hashimoto, Guo e Warren (2006) estudaram o as diferenças na
integridade superficial e na resistência à fadiga de corpos-de-prova do aço 52100 (dureza de
62 HRC) usinados pelos dois processos. Os parâmetros utilizados na usinagem dos corpos-de-
prova são típicos de cada processo. Os valores de rugosidade nas amostras torneadas e
retificadas são similares (parâmetro Ra entre 0,14 e 0,18 m). Análises de microestrutura e
microdureza na subsuperfície (secção transversal) das amostras torneadas e retificadas
mostram que a região de modificada por deformação e calor é maior no caso da retificação.
Entretanto, o principal resultado desta pesquisa está nos ensaios de resistência à fadiga de
rolamento aos quais corpos-de-prova torneados e retificados foram submetidos. A figura 9
mostra os resultados destes ensaios.
17
Figura 9 – Comparação de vida para superfícies torneadas e retificadas em ensaio de
fadiga de contato de rolamento
Os resultados mostram que a vida das superfícies torneadas pode ser, em média, 100%
maior de superfícies retificadas com equivalente valor de rugosidade. Os principais
mecanismos que contribuem para esta diferença nos valores de fadiga de contato de rolamento
são as diferentes estruturas superficiais e as tensões compressivas relativamente profundas.
Segundo Javidi, Rieger e Eichlseder (2008), as tensões residuais induzidas pelo processo de
torneamento duro tendem a ser tornar mais compressivas com o aumento do valor do avanço
por volta. Por outro lado, um aumento do raio de ponta da ferramenta promove redução nas
tensões compressivas. Deste modo, é evidente que a taxa de avanço e o raio de ponta da
ferramenta são os elementos de principal influência para determinação da tensão residual no
torneamento duro.
18
1.3 Fresamento de aços endurecidos
Os processos de usinagem de aços endurecidos em peças prismáticas são,
tradicionalmente, realizados por operações de eletroerosão e, no caso de superfícies planas, de
retificação. As operações de eletroerosão, as quais podem ser a fio ou de mergulho, são
amplamente utilizadas para a manufatura em aços-ferramenta com elevada dureza (superior a
45 HRC). Este processo tem precisão, é capaz de usinar estreitas e profundas cavidades bem
como proporcionar que a máquina não necessite da presença de um operador durante todo o
tempo de operação. Além disso, a produtividade neste processo está mais relacionada com a
condutividade elétrica do material a ser trabalhado do que com sua dureza.
Contudo, o processo de eletroerosão apresenta algumas desvantagens. Inicialmente, em
operações de desbaste, o processo é relativamente lento ao ser comparado, em volume de
material removido, com o fresamento. No acabamento, esta relação torna-se ainda maior,
devido ao fato de, no processo de eletroerosão, a necessidade de se alcançar precisão
dimensional e manter integridade da superfície da peça requerer maior prudência. Ainda, a
confecção de eletrodos para a utilização no processo de eletroerosão é um dos fatores que
consome grande parte do tempo e eleva o custo do processo. A utilização de fluidos
dielétricos, na eletroerosão, também causa problemas ambientais além de apresentar um
potencial risco de fogo.
O processo de retificação em peças prismáticas também sofre fortes restrições. As
principais aplicações estão no acabamento de superfícies planas. Em contrapartida, o
acabamento de cavidades tem grandes dificuldades na utilização de rebolos. Por esse motivo,
o processo tem restrições para estas aplicações.
Principalmente com a usinagem de superfícies com muitos detalhes geométricos, a
indústria de metal-mecânica tem empregado o fresamento para a produção de componentes,
incluindo os manufaturados a partir de aços endurecidos. Este processo pode superar as
desvantagens impostas pelo processo de eletroerosão e de retificação promovendo
interessantes soluções para uma ampla gama de aplicações (indústria de moldes e matrizes,
componentes da indústria automobilística, etc).
Na usinagem de aços endurecidos pelo fresamento são, normalmente, utilizadas fresas
de topo. Estas ferramentas proporcionam a execução de superfícies de formas complexas,
rasgos e cortes de diferentes tipos e tamanhos. A figura 10 demonstra alguns exemplos de
fresas de topo.
19
Figura 10 – Exemplos das fresas de topo para o fresamento de aço endurecido
Conforme a figura 11, a versatilidade das fresas de topo está relacionada ao fato de estas
possuírem arestas de corte tanto na sua periferia quanto no topo. A aresta lateral pode ser reta
ou cônica e o topo pode ser reto, toroidal ou esférico. Construtivamente, as fresas de topo
podem ser sólidas, com pastilhas soldadas ou com pastilhas intercambiáveis.
No fresamento de aços endurecidos, a ferramenta de usinagem é submetida a elevadas
tensões, temperaturas e à fadiga. Nesta situação, um material de ferramenta ideal deveria
combinar características de elevada dureza, tenacidade e estabilidade química. Mas, dureza e
tenacidade representam propriedades opostas e não há um único material que alcance todas as
três propriedades com valores altos simultaneamente.
Com o aumento na temperatura da região de corte causado pela dureza do material no
fresamento de aços endurecidos, a difusão pode ser dominante e a abrasão permanecer em
segundo plano. Esta afirmação parece ser inicialmente anormal em função do restrito tempo
de contato ferramenta-peça. Entretanto, alguns estudos evidenciam a presença do fenômeno
no fresamento de aços endurecidos. Para estas aplicações, diferentes opções de materiais para
ferramentas estão disponíveis, tais como: metal duro, cermet e PCBN. Estes materiais ainda
podem receber coberturas com o objetivo de aumentar a dureza, minimizar o atrito entre
cavaco e ferramenta e melhorar a estabilidade química. Por outro lado, o emprego de
ferramentas cerâmicas requer cuidados específicos em função da restrita tenacidade, e
consequentemente a possibilidade de avarias na aresta de corte.
Do ponto de vista de material de ferramenta, diferentemente do processo de
torneamento duro, o metal duro com cobertura tem destaque no fresamento destes aços com
durezas de inferiores a 55 HRC. Este fato está principalmente associado ao restrito tempo de
20
contato ferramenta-peça e a elevada resistência à fratura quando comparado com os demais
materiais de ferramenta utilizados neste processo. Entretanto, o metal duro aplicado ao
fresamento de aços endurecidos necessita de cuidados especiais. Um aspecto de grande
importância nestes casos é o tamanho de grão. Para obter um metal duro com tamanho de grão
submícron e ultrafino com mínima porosidade, o processamento da matéria-prima requer
apropriado refinamento, sinterização e adição de elementos inibidores do crescimento de grão.
Entre os vários elementos inibidores do crescimento de grão estão o carboneto de vanádio
(VC) e o carboneto de cromo (Cr3C2). Este último é amplamente empregado para esta função
mesmo sendo menos eficiente do que o carboneto de vanádio (VC). O objetivo desta escolha
está relacionado com a capacidade do carboneto de cromo (Cr3C2) em proporcionar
resistência à corrosão no metal duro e também ao fato de que o carboneto de vanádio (VC),
em porcentagem maior que 0,6 %, causar drástica redução na tenacidade do metal duro.
Normalmente a microestrutura do metal duro é homogênea. Entretanto, com a constante
demanda por produtividade, esforços têm sido realizados para que as ferramentas tenham uma
melhor resposta aos mecanismos de desgaste. Em alguns casos, uma microestrutura com uma
diferente distribuição de microdureza e de tenacidade da superfície para o núcleo da
ferramenta pode proporcionar melhores resultados. Uma microestrutura de metal duro com
intencional distribuição não homogênea de microdureza e de tenacidade próxima à superfície,
com o objetivo de obter melhores respostas aos mecanismos de desgaste, é denominada de
gradiente funcional. Durante a sinterização ou em uma etapa após esta fase, com modificações
na atmosfera do forno, um gradiente funcional em uma faixa com espessura entre 20 e 50 m
próxima à superfície do metal duro pode ser alcançado. A alteração na atmosfera do forno,
com adição de um gás reativo em diferentes pressões, causa a migração dos carbonetos
cúbicos (TiC, TaC e NbC) para uma região mais central ou para a superfície do material. A
figura 11 uma micrografia de metal duro com um gradiente funcional.
21
Figura 11 – Micrografia do metal duro com gradiente funcional
Na figura 11 verifica-se a composição da superfície formada por um elevado teor de
nitreto de titânio (TiN), uma região de transição com nitreto de titânio (TiN), carboneto de
tungstênio (WC) e carboneto de titânio (TiC) e, por último, uma região do substrato com
elevados teores de carboneto de tungstênio (WC) e carboneto de titânio (TiC). Os resultados
de utilização destas microestruturas com gradiente funcional demonstram uma maior
resistência ao desgaste, principalmente o desgaste de cratera.
Em diâmetros superiores a 12 mm, uma mesma geometria de fresa de topo pode ser
sólida e com pastilha intercambiável. O tempo de usinagem pode ser o fator decisivo para esta
tomada de decisão no fresamento de aços endurecidos. A utilização de ferramentas sólidas
proporciona uma maior vida de ferramenta quando comparadas com pastilhas
intercambiáveis. Entretanto, outros aspectos devem ser considerados na escolha da opção a
ser utilizada: a utilização de pastilha intercambiável promove um menor custo e a troca da
ferramenta é mais rápida; a utilização de ferramenta sólida aumenta a rigidez e facilita o
balanceamento do conjunto de fixação de ferramentas, indispensável com elevadas rotações;
com a utilização de ferramenta sólida, necessita-se a reafiação e nova deposição de cobertura,
com o objetivo de minimizar os custos. A figura 12 demonstra um estudo de viabilidade
econômica da reafiação de ferramentas sólidas quando comparadas à utilização de pastilhas
intercambiáveis (LACALLE et al., 2002).
22
Figura 12 – Viabilidade econômica para a reafição de ferramentas sólidas (LACALLE
et al., 2002)
A análise de viabilidade econômica demonstra que, conforme a figura 12, a necessidade
de no mínimo quatro reafiações para que seja viável a utilização de ferramenta sólida em
substituição à utilização de pastilha intercambiável. Além disso, a análise considera que o
rendimento das ferramentas após a reafiação é idêntico ao da ferramenta original. Este um
fator de discussão na análise, pois em situações práticas, dificilmente este rendimento é
alcançado. Deste modo, em ambientes produtivos, torna-se necessário um maior número de
reafições para a viabilidade econômica de ferramentas sólidas de metal duro.
Principalmente com o fresamento de geometrias de peças que necessitam de pequenos
raios em profundidades relativamente altas, a utilização de ferramentas delgadas promove
erros dimensionais devido à deflexão. Estes erros dimensionais podem comprometer a
usinagem dentro das tolerâncias especificadas, mesmo que os outros fatores descritos
anteriormente estejam controlados. Tlusty, Smith e Winfough (1996) descrevem que,
considerando uma ferramenta fixada no mandril como uma viga engastada, a rigidez é
reduzida de maneira inversamente proporcional ao cubo do comprimento. Esta relação é
definida pela equação 1, em que: (k) representa a rigidez, (E), o Módulo de Elasticidade do
material da ferramenta, (I), o Momento de Inércia da seção transversal e (L), o comprimento
da ferramenta.
23
3
3
L
EIk Equação 1
A deflexão de uma viga engastada, segundo um modelo estático, pode ser calculada
conforme a equação 2, em que: (B) representa a deflexão máxima e (F), a força aplicada.
Salgado et al. (2005) afirmam que o comportamento de uma ferramenta no fresamento em
operações de acabamento é similar ao comportamento estático.
EI
FLB
3
3
Equação 2
Considerando que a ferramenta tem secção transversal circular, a deflexão pode ser
definida conforme a equação 3, em que (D) é o diâmetro equivalente da secção transversal da
ferramenta.
4
3
3
64
ED
FLB
Equação 3
Conforme a equação 3, a relação L3/D
4 demonstra que a utilização de ferramentas com
pequeno comprimento em balanço e elevado diâmetro é o caminho para minimizar a deflexão
e, consequentemente, os erros dimensionais nas peças usinadas. Entretanto, esta situação nem
sempre pode ser realizada no fresamento, pois em determinados casos necessita-se de longos
comprimentos em balanço e reduzidos diâmetros. A equação 3 também demonstra que a
influência do comprimento em balanço é elevada à terceira potência e a influência do
diâmetro equivalente é elevada à quarta potência. Isto significa que pequenas reduções no
comprimento em balanço e incrementos no diâmetro têm uma forte influência na deflexão das
ferramentas.
Com o objetivo de aumentar a rigidez do sistema de fixação de pastilhas, uma opção é a
utilização de porta-ferramenta de metal duro ao invés da utilização dos convencionais de aço.
A figura 13 demonstra os dois tipos de porta-ferramentas para fixação de pastilhas esféricas.
24
Figura 13 – Porta-ferramenta de metal duro e de aço para fixação de pastilha esférica
Como pode ser verificado na figura 13, no porta-ferramenta de metal duro, somente a
região de fixação da pastilha é de aço. O porta-ferramenta de metal duro tem menor tendência
à deflexão em função do maior Módulo de Elasticidade (E) quando comparado com porta-
ferramenta de aço montado em um mandril com o mesmo comprimento em balanço. Outra
possibilidade é a utilização do porta-ferramenta de metal duro montado no mandril com um
maior comprimento em balanço quando comparado a um de aço e, mesmo assim, obtendo a
mesma rigidez. Entretanto, devido à dificuldade de utilização de um método analítico descrito
na equação 1 para comparação de rigidez entre os diferentes diâmetros e geometrias de porta-
ferramenta com pastilhas e ferramentas sólidas de metal duro, utiliza-se diante destes casos, o
Método de Elementos Finitos.
Do ponto de vista do tipo do corte, o fresamento concordante é mais favorável do que o
discordante na usinagem de aços endurecidos. No fresamento discordante, devido à menor
espessura de corte na entrada da ferramenta, a pressão específica de corte torna-se maior e,
consequentemente, o calor gerado também aumenta. A vida útil da ferramenta, nestas
condições de corte, torna-se menor, podendo chegar a uma redução de 50%. Ainda, no
fresamento discordante, as forças radiais também são consideravelmente maiores, o que
promove um efeito negativo nas vibrações e na vida do eixo-árvore da máquina-ferramenta
(SCHULZ, 1995).
25
Com relação ao tipo de operação, o desbaste em aços endurecidos é caracterizado por
elevados carregamentos na ferramenta de usinagem, principalmente no início da abertura de
cavidades, em que todo o diâmetro da ferramenta de usinagem é utilizado no corte.
Entretanto, as variações no carregamento da ferramenta também são causadas pela forma da
geometria usinada, mesmo com o sobrematerial sendo constante. A figura 14 demonstra a
variação no ângulo de contato entre a ferramenta de usinagem e a peça em função da
geometria usinada.
Figura 14 – Variação no ângulo de contato em função da geometria da peça
A figura 14 demonstra que, conforme a ferramenta percorre a trajetória do perfil da
peça, diversos ângulos de engajamento ocorrem no percurso para um mesmo valor de
sobrematerial. Em regiões côncavas, o ângulo de contato ferramenta-peça tende a aumentar e,
em regiões convexas, o ângulo de contato aproxima-se de valores mínimos. Em conseqüência
deste fato, acontecem sucessivas variações na força de usinagem e alterações nos valores de
deflexão na ferramenta.
A estratégia mais utilizada no fresamento de aços endurecidos, principalmente em
operações de desbaste, é a usinagem do contorno da geometria em um plano mantendo a
profundidade axial de usinagem (ap) constante. Em cavidades, a entrada da ferramenta deve
ser realizada em rampa, de modo a evitar elevados carregamentos na aresta de corte. Com a
usinagem de paredes inclinadas, a utilização desta estratégia forma diversos degraus na
26
superfície usinada. Nesta situação, fresas toroidais e esféricas podem reduzir a altura desses
degraus quando comparada à utilização de fresas de topo reto. Esta alteração possibilita uma
redução na variação do carregamento da ferramenta na próxima operação.
Em situações com a dureza do material seja superior a 50 HRC, o volume de material a
ser removido seja elevado e a geometria a ser usinada não seja uma cavidade fechada, a
estratégia trocoidal pode ser utilizada. A estratégia trocoidal consiste na utilização de
movimento de avanço combinado com um movimento circular ou elíptico da ferramenta, o
que possibilita a redução no ângulo de contato entre ferramenta e peça quando comparada
com outras estratégias. Esta estratégia normalmente é utilizada com elevados valores da
profundidade axial de usinagem (ap) e ferramentas sólidas com hélice objetivando utilizar e
distribuir o carregamento ao longo da aresta de corte.
Em operações de acabamento, o diâmetro das ferramentas é normalmente menor do que
o dobro do menor raio interno presente na geometria da peça. Deste modo, é possível a
usinagem da geometria com interpolação, evitando a usinagem da região com o próprio raio
da ferramenta. Quando o raio da ferramenta é utilizado para usinar um raio interno, a
superfície usinada tem um aspecto diferente das superfícies usinadas por interpolação devido
à instantânea parada da ferramenta para mudança de direção e pelo abrupto aumento no
ângulo de contato ferramenta-peça.
Outro ponto imprescindível em operações de acabamento no fresamento de aços
endurecidos é a retirada dos cavacos da região de corte. A utilização de centros de usinagem
vertical é a configuração mais comum para estas operações. O principal motivo da maior
utilização desta configuração de máquina-ferramenta é o seu menor preço quando comparado
com os centros de usinagem horizontal. Por outro lado, o emprego de um centro de usinagem
vertical apresenta problemas com a remoção do cavaco da região de corte. Principalmente
com a usinagem de cavidades estreitas e profundas, torna-se difícil a remoção do cavaco da
cavidade somente com o fluxo de ar originado pela rotação da ferramenta de usinagem. Caso
o cavaco não seja removido da cavidade, ele pode ser esmagado entre a superfície usinada e a
ferramenta, danificando o acabamento superficial e/ou avariando a aresta de corte.
A aplicação do fluido de corte no processo pode remover com facilidade o cavaco de
uma cavidade. Contudo, a utilização de um fluido de corte aquoso, o qual tem alta capacidade
de refrigeração, causa a redução da vida da ferramenta por incentivar trincas de origem
térmica, as quais são causadas pela maior flutuação cíclica da temperatura devido à natureza
27
interrompida do corte. Normalmente, obtém-se a maior vida de ferramenta no fresamento de
aços com a usinagem isenta de fluido de corte.
Uma solução utilizada para remoção do cavaco da região de corte no Fresamento com
Alta Velocidade de aços endurecidos é a aplicação de ar comprimido. O ar comprimido tem
baixa capacidade de refrigeração quando comparado com os fluidos aquosos. Deste modo, a
intenção é minimizar o efeito da flutuação da temperatura na ferramenta durante o corte.
Ainda com o objetivo de aumentar a capacidade de lubrificação, eventualmente utiliza-se a
pulverização de uma pequena quantidade de óleo, em forma de névoa, juntamente com a
aplicação de ar comprimido. Esta técnica é conhecida como Mínima Quantidade de Fluido
(MQF).
Entretanto, os efeitos da utilização da técnica MQF no fresamento de aços-ferramentas
endurecidos são fortemente influenciados por uma série de fatores. Entre eles, podem ser
descritos os parâmetros de usinagem, material usinado, pressão, vazão, distância de aplicação,
geometria usinada e material da ferramenta. De uma forma geral, presume-se que o óleo, em
forma de névoa, pode adsorver na superfície de saída da ferramenta durante o período de uma
volta em que não há corte e, durante o período de corte, lubrificar a interface cavaco-
ferramenta. Deste modo, o atrito na interface cavaco-ferramenta é reduzido, além de
minimizar as adesões de material da peça na aresta de corte. Como resultado desta maior
eficiência no corte, ocorreria um acréscimo na vida da ferramenta.
Contudo, os resultados no fresamento de aços endurecidos demonstram que a aplicação
da técnica MQF não produz os efeitos desejados na vida da ferramenta quando comparado
com a usinagem isenta de fluido. A aplicação da técnica MQF, mesmo com restrita
refrigeração, promove o aparecimento de trincas de origem térmica na ferramenta. Estas
trincas interagem com as de origem mecânica, ocorrendo microlascamentos na aresta de corte.
Outro ponto negativo com a utilização da técnica MQF é a contaminação do ambiente. A
aplicação da técnica MQF em um ambiente produtivo requer a instalação de um sistema de
exaustão da névoa na máquina-ferramenta.
Do ponto de vista de integridade superficial, Axinte e Dewes (2002) analisaram tensões
superficiais no fresamento do aço H13 com dureza média de 48 HRC com ferramentas
esféricas de metal duro e com cobertura de TiAlN. Nesta pesquisa não se observaram
alterações na microestrutura e presença de camada branca utilizando um microscópio ótico
com ampliação de 1000x. A análise de tensões residuais, próxima à superfície usinada,
demonstrou tensões compressivas (até 760 MPa), fato associado aos efeitos mecânicos e
28
térmicos da usinagem. Como descrito anteriormente, as tensões compressivas resultam em um
melhor desempenho em relação à fadiga quando comparadas, por exemplo, à com superfícies
polidas.
Hioki (2006) realizou estudou a influência da topografia no desempenho tribológico de
uma superfície. Utilizou o aço-ferramenta H13 com dureza média de 550 HV e superfícies
fresadas com diferentes parâmetros de usinagem. Nesta pesquisa, se comparou dois tipos de
topografia de superfícies fresadas, conforme mostra a figura 15.
Figura 15 – Topografia de superfícies fresadas em função dos parâmetros de usinagem
Para se determinar o desempenho tribológico das superfícies usinadas, considerou o
tempo necessário para atingir o coeficiente de atrito = 0,2 (adotado como critério de fim de
vida da superfície) em um ensaio de pino-placa com lubrificação de uma mistura
óleo/bissulfeto de molibdênio. Os resultados demonstram que superfícies com alto índice de
formação de cavidades, conforme a figura 15a, apresentam um melhor desempenho quando
comparadas às superfícies com menores valores deste índice, conforme figura 15b. Os
resultados estão associados à capacidade de retenção de lubrificante nas cavidades, fator que
possibilita um aumento da eficiência de lubrificação diante do contato com outros corpos.
29
1.4 Gerenciamento de ferramentas na manufatura
O desafio da melhoria contínua e da sistemática redução dos custos nos processo
produtivos determina que empresas de “classe mundial” no segmento de usinagem tenham
foco na utilização de ferramentas de usinagem. Este desafio está relacionado não somente ao
uso das ferramentas de usinagem, mas também, ao impacto destas ferramentas em todo
processo de usinagem.
Neste contexto, a utilização de uma técnica para gerenciamento de ferramentas no
ambiente fabril torna-se imprescindível para as empresas de usinagem. Esta estratégia de
gerenciamento de ferramentas visa à resolução de problemas relacionados às várias atividades
que permeiam o seu uso: aquisição, armazenagem, seleção e alocação, inspeção, preparação,
montagem na máquina, uso e manuseio, monitoramento, troca e controle de inventário.
Portanto, os objetivos principais do gerenciamento de ferramentas devem ser: reduzir os
custos de manufatura e eliminar distúrbios nos processos produtivos. Os objetivos podem ser
atingidos com as seguintes atividades: redução em paradas de máquinas por falta de
ferramentas, maximização da utilização de ferramentas, minimização no número de refugos,
padronização e racionalização da utilização das ferramentas, redução dos estoques de
ferramentas e eliminação da obsolescência, redução nos tempos de preparação de máquinas e,
por fim, tornar a informação precisa no ambiente de manufatura.
O gerenciamento de ferramentas deve ser tratado com uma estratégia interdepartamental
com apoio do planejamento estratégico da empresa. De um modo geral, para se alcançar os
benefícios propostos pelo gerenciamento de ferramentas, deve integrar simultaneamente três
áreas: planejamento estratégico, logístico e técnico. Ao planejamento técnico se atribui a
seleção e o uso de ferramentas; o planejamento logístico cuida da disponibilização do
ferramental no local e tempo definido; e o planejamento estratégico tem a responsabilidade de
limitar a variedade, quantidade e valor do ferramental disponível (FAVORETTO, 2005). A
figura 16 mostra o detalhamento das atribuições de cada área envolvida no planejamento
integrado do gerenciamento de ferramentas.
30
Figura 16 – Planejamento integrado do gerenciamento de ferramentas
Entretanto, conflitos de diferentes perspectivas sobre o gerenciamento de ferramentas
surgem quando as decisões envolvem áreas distintas em uma empresa. Comparando o ponto
de vista financeiro e o ponto de vista técnico sobre a utilização do ferramental no ambiente
produtivo, uma divergência ocorre: pelo aspecto financeiro, o custo do ferramental deve se
manter nos menores níveis possíveis, pois causará um menor custo no produto; no aspecto
técnico, as melhores soluções técnicas são atingidas diante de maiores investimentos no
ferramental. Este investimento deverá ser rateado nos produtos produzidos pelo ferramental,
mas uma análise de custo-benefício nem sempre justifica o investimento em função do
número de peças produzidas ou do valor rateado em cada peça. Além disso, a justificativa da
aquisição do ferramental baseados em análises qualitativas de desempenho ou do
aproveitamento em outros produtos torna-se de difícil aceitação pela área financeira,
principalmente quando os referidos produtos não estão no planejamento de produção. Neste
caso, uma visão estratégica da empresa torna-se imprescindível para se desobstruir o impasse
(FLEISCHER et al., 2006).
O gerenciamento da informação é a base para o gerenciamento de ferramentas. O
motivo é a grande quantidade de informação gerada e necessária para a tomada de decisão.
Dados conflitantes, desatualizados ou simplesmente a falta de informação podem ser
responsáveis por custos elevados, faltas de ferramentas e inventários excessivos. A melhoria
31
contínua somente é possível diante da existência de uma base sólida de informações, de modo
entender os dados atuais e onde se pretende chegar (FAVORETTO, 2005).
Para a implementação do gerenciamento de ferramentas, a criação de uma base de dados
e cadastramento das ferramentas são as primeiras atividades para se realizar. Um cadastro
padronizado e bem realizado facilita a localização, controle, compras e estimativas dos custos
de ferramentas evitando redundâncias na empresa. Além disso, o programa deve interagir com
diferentes ambientes na empresa: planejamento do processo, planejamento da produção,
compras, produção e qualidade.
Existem programas de bases de dados dedicados para as necessidades de cada empresa.
Os dados normalmente são divididos em descritivos, técnicos e logísticos. Estas bases de
dados também podem prever aspectos com anormalidades e priorização de ferramentas.
Contudo, o aspecto mais importante é que o conteúdo da base de dados esteja atualizado e
correto. Favoretto (2005) realizou uma pesquisa com o objetivo que, entre outros detalhes,
analisou os dados cadastrados nas bases de dados para gerenciamento de ferramentas na
região metropolitana de Curitiba- PR. A figura 17 mostra as principais informações presentes
nestes bancos dados.
Figura 17 - Principais informações das bases de dados para gerenciamento de
ferramentas
32
Uma análise das informações presentes na figura 17 mostra que os banco de dados para
gerenciamento de ferramentas têm, atualmente, uma vocação para área de compras. Como
pode ser verificado, informações do tipo, fornecedor, número, custo, estratégia de compra
estão presentes, no mínimo, em 70% dos bancos de dados. Em contrapartida, informações
para suportar a área estratégica e técnica da empresa apresentam restritas informações. Deste
modo, o desenvolvimento de novos processos fica prejudicado do ponto de vista do tempo de
realização, racionalização de ferramentas e, consequentemente, dos custos pela dificuldade
e/ou pela falta de informações para tomada de decisões.
Portanto, a implementação de banco de dados completos principalmente no aspecto
técnico pode ajudar muito os profissionais envolvidos na definição dos processos de
manufatura nas empresas. Entretanto, a responsabilidade de discussão, desenvolvimento e
atualização das informações nos referidos bancos de dados para gerenciamento de ferramentas
pertence aos profissionais da área técnica.
A forte competição internacional exige que empresas de “classe mundial” no segmento
de usinagem tratem assuntos como aquisição, armazenagem, seleção e alocação, inspeção,
preparação, montagem na máquina, uso e manuseio, monitoramento, troca e controle de
inventário, como pontos-chave para a sobrevivência no mercado.
33
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