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UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO DIRETORIA DE CIÊNCIAS EXATAS

PROGRAMA DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

MEDIÇÃO DO DESGASTE DE BROCAS HELICOIDAIS DE AÇO RÁPIDO POR MEIO DO USO DE UM

DISPOSITIVO A LASER

FERNANDO APARECIDO PACHECO DA SILVA FORTUNATO

SÃO PAULO

2012

UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO DIRETORIA DE CIÊNCIAS EXATAS

PROGRAMA DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

MEDIÇÃO DO DESGASTE DE BROCAS HELICOIDAIS DE AÇO RÁPIDO POR MEIO DO USO DE UM

DISPOSITIVO A LASER

FERNANDO APARECIDO PACHECO DA SILVA FORTUNATO

ORIENTADOR: PROF. DR. ELESANDRO ANTONIO BAPTISTA

CO-ORIENTADOR: PROF. DR. NIVALDO LEMOS COPPINI

Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado em Engenharia de Produção, da Universidade Nove de Julho – UNINOVE, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Produção.

SÃO PAULO

2012

Fortunato, Fernando Aparecido Pacheco da Silva. Medição do desgaste de brochas helicoidais de aço rápido por meio do uso de um dispositivo a LASER. . / Fernando Aparecido Pacheco da Silva Fortunato. 2012. 142 f. Dissertação (mestrado) – Universidade Nove de Julho - UNINOVE, São Paulo, 2012. Orientador (a): Prof. Dr. Elesandro Antonio Baptista.

1. Brocas. 2. Aço rápido. 3. Laser. 4. Desgaste. I. Baptista, Elesandro Antonio.

CDU 624

II

Dedico este trabalho aos meus

amados pais, Valdir e Irma; e a

minha querida irmã Priscila.

III

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus por minha vida. Obrigado Senhor por me conduzir a mais uma grande vitória; a conclusão do curso de mestrado.

Aos meus Pais Valdir Fortunato e Irma Pacheco da Silva Fortunato, os melhores pais que um filho poderia ter. Não tenho palavras para expressar o amor, orgulho, admiração e a gratidão que sinto por vocês.

À minha irmã Priscila Aparecida Pacheco Fortunato, pelo amor, apoio incondicional, amizade, e encorajamento em todos os momentos da minha vida.

Aos meus padrinhos Angela Pacheco Caetano e José Maria Caetano, por serem pessoas maravilhosas e estarem sempre presentes na minha vida.

Ao meu orientador e amigo, Professor Dr. Elesandro Antonio Baptista; a quem agradeço pelos ensinamentos, companheirismo, dedicação e a valiosa orientação.

Ao Co-orientador deste trabalho, o Professor Dr. Nivaldo Lemos Coppini; agradeço pela amizade, confiança, sabedoria e experiência, que foram muito importantes para o desenvolvimento deste trabalho.

Ao Professor Dr. Milton Vieira Junior, pela amizade, incentivo e todo auxílio fornecido durante o curso.

Ao Professor Dr. Marcos Valério Ribeiro, por sua presença na banca examinadora.

Aos Engenheiros Pedro Cabrera Junior e Ivan Correr, pela atenção, companheirismo e constante suporte durante os ensaios de furação.

À empresa GEOTECNO, por disponibilizar seus equipamentos e espaço físico para execução dos ensaios de furação.

À Universidade Nove de Julho, pela bolsa de estudos integral.

IV

“Tenha coragem vá em frente. Determinação, coragem e

autoconfiança são fatores decisivos para o sucesso. Não importam

quais sejam os obstáculos e as dificuldades. Se estamos possuídos

de uma inabalável determinação, conseguiremos superá-los.

Independentemente das circunstâncias, devemos ser sempre

humildes, recatados e despidos de orgulho”.

Tenzin Gyatso – 14º Dalai Lama

V

FORTUNATO, Fernando Aparecido Pacheco da Silva. Medição do Desgaste de Brocas Helicoidais de Aço Rápido Por Meio do Uso de um Dispositivo a LASER. 2012. 142 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção) –

Diretoria de Ciências Exatas, Universidade Nove de Julho, São Paulo.

RESUMO

Este trabalho demonstra como o desgaste das brocas helicoidais de aço

rápido, pode ser medido por meio da utilização de um dispositivo LASER (Light

Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Foram realizados ensaios

de furação em corpos de prova fabricados com aço 4340, utilizando brocas

com diâmetro de 10 mm. A máquina utilizada nos ensaios foi um centro de

usinagem CNC (Comando Numérico Computadorizado), munido de um

Toolsetter a LASER. A medição ocorreu após a execução de um ou mais furos;

a broca que estava em regime de rotação é paralisada, em seguida, o eixo

principal onde a ferramenta foi fixada, se movimenta até o dispositivo

responsável pela medição, interrompendo parcialmente a emissão do feixe de

LASER. À distância gerada pela interrupção da broca foi convertida pelo

sistema eletrônico do Toolsetter, para valores numéricos reais. Os dados

gerados nos ensaios foram coletados por um software de captura de

informações instalado em um notebook, que foi conectado via cabo USB ao

Toolsetter. As informações foram tratadas, para permitir a geração de gráficos

das variações dimensionais da ferramenta. As brocas utilizadas nos ensaios

foram fotografadas, e medidas com auxílio de um software CAD (Computer

Aided Design), para evidenciar a existência de variações dimensionais na

ferramenta. Por meio dos dados estudados nesta pesquisa, conclui-se que a

utilização de um dispositivo a LASER, é eficaz na medição de desgaste e

demais variações dimensionais, presentes nas brocas helicoidais de aço

rápido, após as operações de furação.

PALAVRAS-CHAVE: brocas; aço rápido; LASER; desgaste; Toolsetter.

VI

FORTUNATO, Fernando Aparecido Pacheco da Silva. Measurement of Helical drill Wear of high speed steel through the use of a LASER Device.

2012. 142 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção) – Diretoria de

Ciências Exatas, Universidade Nove de Julho, São Paulo.

ABSTRACT

This work shows how the wear of high speed steel twist drill bits, can be

measured through the use of a LASER (Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation). Drilling tests were carried out on specimens made from

4340 steel, using drills with diameter of 10 mm. The machine used in the tests

was a CNC (Computer Numerical Control) machining centre, fitted with a

LASER Toolsetter. The measurement took place after the execution of one or

more holes; the bit that was in rotation scheme is paralyzed, then the main axis

where the tool was fixed, moves up the device responsible for measurement,

partially interrupting the emission of the LASER beam. Distance learning

generated by the interruption of the drill was converted by the electronic system,

Toolsetter for numeric values. The data generated in trials were collected by

information capture software installed on a notebook, which was connected via

USB cable to Toolsetter. The information was handled, to allow the generation

of graphs of dimensional variations of the tool. The drills used in the trials were

photographed, and measures with the aid of a software Computer Aided Design

(CAD), to highlight the existence of dimensional variations in the tool. Through

this research, data studied concludes that the use of a LASER device is

effective in the measurement of wear and other dimensional variations, present

in high speed steel twist drills, after drilling operations.

KEYWORDS: drills; high speed steel; LASER; wear; Toolsetter.

SUMÁRIO

RESUMO .............................................................................................................. V

ABSTRACT .......................................................................................................... VI LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... IX

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ...................................................................... XII LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................ XV

LISTA DE EQUAÇÕES ........................................................................................ XVII 1. INTRODUÇÃO.............................................................................................. 1

1.1. JUSTIFICATIVA ................................ ................................ ................................ ..... 2 1.2. OBJETIVOS ................................ ................................ ................................ ......... 3 1.2.1. OBJETIVO GERAL ....................................................................................................... 3 1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................ 3 1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO ................................ ................................ .................. 3

2. LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO ................................................................. 5

2.1. A OPERAÇÃO DE FURAÇÃO ................................ ................................ ................... 5 2.1.1. MOVIMENTOS DA OPERAÇÃO DE FURAÇÃO ................................................................... 7 2.1.2. BROCAS HELICOIDAIS DE AÇO RÁPIDO ......................................................................... 9 2.1.3. PARÂMETROS DE FURAÇÃO ...................................................................................... 13 2.1.4. FLUÍDOS DE CORTE E A OPERAÇÃO DE FURAÇÃO ........................................................ 20 2.1.5. DEFEITOS GERADOS NOS FUROS ............................................................................... 22 2.1.6. TIPOS DE DESGASTE EM BROCAS HELICOIDAIS ........................................................... 25 2.1.7. QUANTIFICANDO O DESGASTE DAS BROCAS HELICOIDAIS ............................................ 29 2.1.8. COMO O DESGASTE DAS BROCAS HELICOIDAIS PODE SER AVALIADO? .......................... 30 2.1.9. CRITÉRIOS DE FINAL DE VIDA DAS BROCAS ................................................................. 36 2.1.10. ESTIMANDO A VIDA ÚTIL DAS BROCAS ........................................................................ 39 2.2. MEDIÇÃO DE DESGASTE DAS FERRAMENTAS DE CORTE EM MÁQUINAS CNC .......... 41 2.2.1. MEDIÇÃO DE DESGASTE MANUAL NA PRÓPRIA MÁQUINA.............................................. 42 2.2.2. MEDIÇÃO DE DESGASTE COM DISPOSITIVOS DENTRO DA MÁQUINA .............................. 44 2.2.3. MEDIÇÃO DE DESGASTE POR MEIO DE MÁQUINAS INDEPENDENTES .............................. 48

3. METODOLOGIA ......................................................................................... 51

3.1. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA ................................ ................................ ............ 51 3.2. ETAPAS DA PESQUISA ................................ ................................ ........................ 51 3.3. DETALHES SOBRE O ENSAIO DE FURAÇÃO ................................ ........................... 53 3.4. PREPARAÇÃO DA MÁQUINA PARA O ENSAIO DE FURAÇÃO ................................ ..... 57 3.5. PRÉ-TESTE ................................ ................................ ................................ ....... 58 3.6. ENSAIOS DE FURAÇÃO ................................ ................................ ....................... 59 3.7. TRATAMENTO DOS DADOS COLETADOS ................................ ............................... 61 3.8. MÉTODO UTILIZADO NA OBTENÇÃO DE IMAGENS DAS BROCAS .............................. 63 3.9. PROCEDIMENTO EMPREGADO NA MEDIÇÃO DE IMAGENS ................................ ...... 65

4. RESULTADOS ........................................................................................... 69

4.1. ACERTO DOS PARÂMETROS ................................ ................................ ............... 69 4.2. RESULTADOS COM NOVOS PARÂMETROS DE USINAGEM ................................ ....... 71

5. CONCLUSÕES .......................................................................................... 94

VIII

5.1. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................ ............................ 95

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 96

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA.............................................................................. 119

APÊNDICE ........................................................................................................ 120

IX

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – COMBINAÇÃO DOS MOVIMENTOS DE ROTAÇÃO E AVANÇO DURANTE A FURAÇÃO (ADAPTADO DE KOLE ET AL., 1997). ...................................................... 7

FIGURA 2 – MOVIMENTOS NA FURAÇÃO (DINIZ ET AL., 2005). ....................................... 8 FIGURA 3 – PARTES DE UMA BROCA HELICOIDAL (DINIZ ET AL., 2005). ........................ 10 FIGURA 4 – DESENHO DE UMA BROCA HELICOIDAL COM HASTE CILÍNDRICA (DINIZ ET AL.,

2005). .................................................................................................................. 11 FIGURA 5 – ÂNGULO DE PONTA DA BROCA (KOLE ET AL., 1997). .................................. 11 FIGURA 6 – ÂNGULO DE HÉLICE DA BROCA (KOLE ET AL., 1997). ................................. 12 FIGURA 7 – TRÊS CLASSIFICAÇÕES DOS ÂNGULOS DE HÉLICE; SEUS RESPECTIVOS ÂNGULOS

DE PONTA E AS APLICAÇÕES (BRAGA ET AL., 1999). ............................................. 12 FIGURA 8 – ÂNGULO LATERAL DE FOLGA DA BROCA (KOLE ET AL., 1997). ................... 13 FIGURA 9 – TRECHO DE UM QUADRO UTILIZADO PARA OBTER AS ROTAÇÕES EM RPM DAS

BROCAS HELICOIDAIS DE AÇO RÁPIDO (ADAPTADO DE WALKER, 2004, TRADUÇÃO DO AUTOR). .......................................................................................................... 14

FIGURA 10 – TRECHO DE UM QUADRO ONDE É POSSÍVEL ENCONTRAR O VALOR DA VELOCIDADE DE CORTE, PARA BROCAS FABRICADAS EM AÇO RÁPIDO, EM FUNÇÃO DO TIPO DE MATERIAL QUE SERÁ USINADO (KOLE ET AL., 1997)................................. 15

FIGURA 11 – TRECHO DE UM QUADRO, ONDE É POSSÍVEL ENCONTRAR O VALOR DO PERCURSO DE AVANÇO DAS BROCAS HELICOIDAIS POR ROTAÇÃO, EM FUNÇÃO DO DIÂMETRO DA BROCA (ADAPTADO DE CNC MANIA, 2009). ................................. 16

FIGURA 12 – FORÇAS ATUANTES NAS BROCAS HELICOIDAIS (KONIG; KLOCKE, 1997 APUD PAIVA JUNIOR, 2007). ............................................................................. 17

FIGURA 13 – CONSTANTES EMPÍRICAS PARA O CÁLCULO DO MOMENTO TORSOR (DINIZ ET AL., 2005). ........................................................................................................... 19

FIGURA 14 – APLICAÇÃO DO FLUÍDO DE CORTE POR MEIO DE SISTEMAS HIDRÁULICOS (ADAPTADO DE KOLE ET AL., 1997). ................................................................... 21

FIGURA 15 – ALMOTOLIAS (CIMM, 2009). ................................................................... 22 FIGURA 16 – DEFEITOS MAIS COMUNS NOS FUROS (SCHROETER ET AL., 2004). ........... 23 FIGURA 17 – RUGOSÍMETRO MEDINDO A RUGOSIDADE DE UM FURO (COSTA ET AL.,

2007). .................................................................................................................. 24 FIGURA 18 – DESGASTE FRONTAL (ADAPTADO DE SANDVIK COROMANT, 2006). .... 25 FIGURA 19 – DESGASTE DE CRATERA (ADAPTADO DE SANDVIK COROMANT, 2006).

............................................................................................................................ 26 FIGURA 20 – DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DA ARESTA DE CORTE (ADAPTADO DE SANDVIK

COROMANT, 2006). .......................................................................................... 26 FIGURA 21 – LASCAMENTO DA BROCA (ADAPTADO DE SANDVIK COROMANT, 2006).

............................................................................................................................ 26 FIGURA 22 – TRINCAS NO CORPO DA BROCA (ADAPTADO DE SANDVIK COROMANT,

2006). .................................................................................................................. 27 FIGURA 23 – QUEBRA DA BROCA (SANDVIK COROMANT, 2006). ............................ 27 FIGURA 24 – BROCA COM ARESTAS POSTIÇAS DE CORTE (ADAPTADO DE SANDVIK

COROMANT, 2006). .......................................................................................... 28 FIGURA 25 – LOCAIS ONDE SÃO REALIZADAS AS MEDIÇÕES DA BROCA HELICOIDAL

(ADAPTADO DE KANAI ET AL., 1979 APUD MATTES, 2009). ............................... 29

X

FIGURA 26 – PAQUÍMETRO (A), MICROMETRO EXTERNO (B) E GONIÔMETRO (C) (ADAPTADO DE MITUTOYO, 2009). ................................................................... 31

FIGURA 27 – LUPA COM RETÍCULO (HOLTERMANN, 2011). ....................................... 31 FIGURA 28 – MICROSCÓPIO DE MEDIÇÃO (MITUTOYO, 2009). .................................... 32 FIGURA 29 – EXTREMIDADE DE CORTE DE UMA BROCA ANALISADA POR MEIO DA ANÁLISE

DE IMAGEM (PEREIRA, 2010). ............................................................................. 33 FIGURA 30 – MICROSCÓPIO ÓPTICO COM CAPTURA ELETRÔNICA DE IMAGEM (RAM

OPTICAL, 2007). ................................................................................................ 33 FIGURA 31 – PROJETOR DE PERFIL (MITUTOYO, 2009). .............................................. 34 FIGURA 32 – MÁQUINA UNIVERSAL DE MEDIR (SECCO, 1995A). ................................... 35 FIGURA 33 – MÁQUINA DE MEDIR COORDENADAS TRIDIMENSIONAIS (MITUTOYO,

2009). .................................................................................................................. 36 FIGURA 34 – FORMAS DE CAVACO: FITA (A); HELICOIDAL (B); ESPIRAL (C); LASCAS (D);

PEDAÇOS (E) (ADAPTADO DE FERRARESI, 1970). ............................................... 38 FIGURA 35 – RESULTADO DA SIMULAÇÃO DAS TEMPERATURAS DE USINAGEM EM UMA

BROCA POR MEIO DE ELEMENTOS FINITOS (LI; SHIH, 2007). .................................. 41 FIGURA 36 – MEDIÇÃO MANUAL DIRETA (VOLPATO ET AL., 2004). ............................. 43 FIGURA 37 – PRESETTING INTERNO POR CONTATO (VOLPATO ET AL., 2004). ............... 45 FIGURA 38 – O ESQUEMA DE MEDIÇÃO DE DESGASTE DE UMA FERRAMENTA, COM O

PRESETTING INTERNO SEM CONTATO (RENISHAW, 2003). ................................... 46 FIGURA 39 – MEDIÇÃO DE DESGASTE DE UMA BROCA COM O PRESETTING INTERNO SEM

CONTATO (RENISHAW, 2003). ........................................................................... 47 FIGURA 40 – PRESETTING EXTERNO DO TIPO MANUAL (BIDEFORD TOOL, 2011). ....... 49 FIGURA 41 – PRESETTING EXTERNO DO TIPO AUTOMÁTICO (ZAMEC, 2011). ................. 49 FIGURA 42 – CENTRO DE USINAGEM UTILIZADO NOS ENSAIOS DE FURAÇÃO (ADAPTADO DE

ROMI, 2005). ...................................................................................................... 54 FIGURA 43 – ESQUEMA ONDE É POSSÍVEL VISUALIZAR A MEDIÇÃO DA BROCA UTILIZANDO

O TOOLSETTER (ADAPTADO DE RENISHAW, 2003). ............................................ 55 FIGURA 44 – PONTOS MEDIDOS NA EXTREMIDADE DE CORTE DA BROCA HELICOIDAL

(ADAPTADO DE PAIVA JUNIOR, 2007). .............................................................. 56 FIGURA 45 – EXEMPLO DE VARIAÇÃO DIMENSIONAL NO PONTO “C5” DA BROCA, APÓS

ALGUMAS FURAÇÕES (ADAPTADO DE DINIZ ET AL., 2005). ................................... 57 FIGURA 46 – CORPO DE PROVA FIXADO NA MESA DA MÁQUINA. ..................................... 57 FIGURA 47 – A BROCA SE APROXIMANDO DO CORPO DE PROVA, PARA EXECUTAR O FURO.

............................................................................................................................ 60 FIGURA 48 – TOOLSETTER UTILIZADO NESTE TRABALHO. .............................................. 60 FIGURA 49 – CORPO DE PROVA APÓS O ENSAIO DE FURAÇÃO. ......................................... 61 FIGURA 50 – ARQUIVO DE TEXTO COM AS DIMENSÕES DA BROCA. .................................. 62 FIGURA 51 – EXEMPLO DE UMA PLANILHA COM OS DADOS DO ENSAIO DE FURAÇÃO. ...... 62 FIGURA 52 – CADA UMA DAS CINCO POSIÇÕES QUE FORAM FOTOGRAFADAS NAS BROCAS

HELICOIDAIS DE AÇO RÁPIDO. ............................................................................... 64 FIGURA 53 – DESENHO SIMPLIFICADO DO DISPOSITIVO EMPREGADO NA FIXAÇÃO DAS

BROCAS HELICOIDAIS PARA O REGISTRO DE IMAGENS. ............................................ 64 FIGURA 54 – DUAS LINHAS SOBRE A IMAGEM DA BROCA. ............................................... 66 FIGURA 55 – PONTO DE REFERENCIA SELECIONADO PARA A ESCALA. ............................. 66 FIGURA 56 – DOIS PONTOS QUE REPRESENTAM A DIMENSÃO CONHECIDA. ...................... 67 FIGURA 57 – RESULTADO DA MEDIÇÃO POR MEIO DO COMANDO DISTANCE. ................... 67

XI

FIGURA 58 – EXEMPLO DE DESGASTE VB NOS PONTOS “E1”; “E2”; “E3” E “E4” DA ARESTA DE CORTE ESQUERDA. .............................................................................. 68

FIGURA 59 – EXEMPLO DE DESGASTE VB NOS PONTOS “D6”; “D7”; “D8” E “D9” DA ARESTA DE CORTE DIREITA.................................................................................... 68

FIGURA 60 – QUADRO COM OS PARÂMETROS DE USINAGEM UTILIZADOS EM CADA BROCA, E O NÚMERO DE FUROS EXECUTADOS. .................................................................... 69

FIGURA 61 – EXTREMIDADE DANIFICADA DA BROCA NÚMERO “1”. ................................ 69 FIGURA 62 – FOTOS DA BROCA NÚMERO “9” APÓS O ENSAIO DE FURAÇÃO. ..................... 73 FIGURA 63 – FOTO DA MEDIÇÃO DO DESGASTE VB NA BROCA NÚMERO “9”. .................. 74 FIGURA 64 – FOTOS DA BROCA NÚMERO “10” APÓS O ENSAIO DE FURAÇÃO. ................... 77 FIGURA 65 – FOTO DA MEDIÇÃO DO DESGASTE VB NA BROCA NÚMERO “10”. ................ 77 FIGURA 66 – FOTOS DA BROCA NÚMERO “11” APÓS O ENSAIO DE FURAÇÃO. ................... 80 FIGURA 67 – FOTO DA MEDIÇÃO DO DESGASTE VB NA BROCA NÚMERO “11”. ................ 81 FIGURA 68 – FOTOS DA BROCA NÚMERO “12” APÓS O ENSAIO DE FURAÇÃO. ................... 83 FIGURA 69 – FOTO DA MEDIÇÃO DO DESGASTE VB NA BROCA NÚMERO “12”. ................ 84 FIGURA 70 – FOTOS DA BROCA NÚMERO “13” APÓS O ENSAIO DE FURAÇÃO. ................... 86 FIGURA 71 – FOTO DA MEDIÇÃO DO DESGASTE VB NA BROCA NÚMERO “13”. ................ 87 FIGURA 72 – FOTOS DA BROCA NÚMERO “14” APÓS O ENSAIO DE FURAÇÃO. ................... 89 FIGURA 73 – FOTO DA MEDIÇÃO DO DESGASTE VB NA BROCA NÚMERO “14”. ................ 90 FIGURA 74 – FOTOS DA BROCA NÚMERO “13” APÓS O ENSAIO DE FURAÇÃO. ................... 92 FIGURA 75 – FOTO DA MEDIÇÃO DO DESGASTE VB NA BROCA NÚMERO “15”. ................ 93

XII

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

C1 Constante empírica do material

CAD Computer Aided Design

CNC Comando Numérico Computadorizado

Cm Desgaste da aresta transversal em relação à largura

Ct Desgaste da aresta transversal em relação ao comprimento

d Diâmetro da broca [mm]

f Avanço de usinagem [mm/rot.]

Fc Força de corte [N]

Ff Força de avanço [N]

Fp Força passiva [N/mm2]

K Constante da Equação de Vida de Taylor

kc Força específica de corte [N/mm2]

kf Força específica de avanço [N/mm2]

kw Desgaste de cratera

LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

min. Minuto

Mt Momento torsor [kgf.mm]

Mw Desgaste na guia lateral

nm Nanômetro

XIII

nr Rotação da broca [rpm]

Pm Lascamento da aresta em relação à largura

Pt Lascamento da aresta em relação ao comprimento

R3z Rugosidade média do terceiro pico e vale

Ra Rugosidade média

RPM Rotações por minuto

Ry Rugosidade máxima

Rt Rugosidade total

Rz Rugosidade de profundidade média

STP Sistema Toyota de Produção

T Vida da ferramenta [min.]

T1 Vida da aresta da primeira ferramenta [min.]

TC1 Tempo efetivo de corte para a primeira velocidade de corte

[min.]

T2 Vida da aresta da segunda ferramenta [min.]

USB Universal Serial Bus

VB Desgaste médio do flanco

VBmax Desgaste máximo do flanco

Vc Velocidade de corte [m/min.]

vc Movimento de corte

VC1 Vida da aresta da primeira ferramenta [m/min.]

XIV

VC2 Vida da aresta da segunda ferramenta [m/min.]

Vf Velocidade de avanço [mm/min.]

vf Movimento de avanço

ve Movimento efetivo de corte

w Desgaste na quina da broca

x Coeficiente da Equação de Vida de Taylor

x1 Constante empírica do material

y2 Constante empírica do material

° Grau

‘ Minuto

α Ângulo lateral de folga [grau]

γ Ângulo de hélice [grau]

η Direção efetiva

π Constante (PI)

σ Ângulo de ponta [grau]

φ Ângulo de avanço [grau]

Ø Diâmetro

XV

LISTA DE GRÁFICOS

GRÁFICO 1 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “9” APÓS O TRIGÉSIMO QUINTO FURO. ...................................................................................................... 71

GRÁFICO 2 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NAS POSIÇÕES “E1” E “D9” DA BROCA NÚMERO “9”....................................................................................................................... 72




GRÁFICO 6 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NA POSIÇÃO “5” DA BROCA NÚMERO “9”. ........ 73 GRÁFICO 7 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “10” APÓS O CENTÉSIMO

SÉTIMO FURO. ....................................................................................................... 75 GRÁFICO 8 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NAS POSIÇÕES “E1” E “D9” DA BROCA NÚMERO

“10”. .................................................................................................................... 75 GRÁFICO 9 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NAS POSIÇÕES “E2” E “D8” DA BROCA NÚMERO



“10”. .................................................................................................................... 76 GRÁFICO 12 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NA POSIÇÃO “5” DA BROCA NÚMERO “10”. .... 76 GRÁFICO 13 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “11” APÓS O QUARTO FURO.

............................................................................................................................ 78 GRÁFICO 14 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NAS POSIÇÕES “E1” E “D9” DA BROCA NÚMERO




“11”. .................................................................................................................... 79 GRÁFICO 18 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NA POSIÇÃO “5” DA BROCA NÚMERO “11”. .... 80 GRÁFICO 19 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “12” APÓS O DÉCIMO FURO.





“12”. .................................................................................................................... 83 GRÁFICO 24 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NA POSIÇÃO “5” DA BROCA NÚMERO “12”. .... 83

XVI

GRÁFICO 25 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “13” APÓS O QUARTO FURO. ............................................................................................................................ 84

GRÁFICO 26 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NAS POSIÇÕES “E1” E “D9” DA BROCA NÚMERO “13”. .................................................................................................................... 85




GRÁFICO 30 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NA POSIÇÃO “5” DA BROCA NÚMERO “13”. .... 86 GRÁFICO 31 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “14” APÓS O DÉCIMO

SEGUNDO FURO. ................................................................................................... 87 GRÁFICO 32 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NAS POSIÇÕES “E1” E “D9” DA BROCA NÚMERO




“14”. .................................................................................................................... 89 GRÁFICO 36 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NA POSIÇÃO “5” DA BROCA NÚMERO “14”. .... 89 GRÁFICO 37 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “15” APÓS O QUINTO FURO.





“15”. .................................................................................................................... 92 GRÁFICO 42 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NA POSIÇÃO “5” DA BROCA NÚMERO “15”. .... 92

XVII

LISTA DE EQUAÇÕES

(1) VELOCIDADE DE CORTE ........................................................................................ 14 (2) ROTAÇÃO DA BROCA POR MINUTO......................................................................... 15 (3) VELOCIDADE DE AVANÇO ..................................................................................... 16 (4) FORÇA DE CORTE NAS ARESTAS CORTANTES .......................................................... 18 (5) FORÇA DE AVANÇO ............................................................................................... 18 (6) MOMENTO TORSOR ............................................................................................... 18 (7) EQUAÇÃO DE VIDA DE TAYLOR .............................................................................. 39 (8) COEFICIENTE DA EQUAÇÃO DE VIDA DE TAYLOR .................................................... 40 (9) CONSTANTE DA EQUAÇÃO DE VIDA DE TAYLOR ..................................................... 40

1

1. INTRODUÇÃO

O processo de usinagem tem sido amplamente utilizado desde a revolução

industrial (ERTUNC et al., 2001). Este processo é composto por diversas

operações que, visam conceder à peça dimensões e geometria controlada por

meio da remoção de cavacos (FERRARESI, 1970). Neste contexto, a furação é

uma das operações mais utilizadas, afinal, a maioria dos componentes

produzidos na indústria, é dotado de pelo menos um furo (CHEN; LIAO, 2003;

DINIZ et al., 2005; MY et al., 2005).

Para realizar as operações de furação, são empregadas ferramentas

multicortantes conhecidas como brocas (FERRARESI, 1970). Existem diversos

tipos de brocas, portanto, estas ferramentas são fabricadas com materiais,

dimensões e geometrias distintas (NAYEBI; VAGHEFPOUR, 2008).

As brocas são fixadas em furadeiras ou demais máquinas ferramentas, deste

modo, a operação de furação ocorre por meio da combinação dos movimentos

de avanço e rotação da peça ou broca (KOLE et al., 1997). A extremidade da

broca com arestas de corte penetra a superfície peça, removendo cavacos e

produzindo um furo cilíndrico (WALKER, 2004).

No instante do corte, isto é, quando os cavacos são removidos da peça, o local

de usinagem alcança altas temperaturas, isto ocorre devido ao atrito entre a

broca e a peça (OKASHA et al., 2010). O atrito combinado às altas

temperaturas de trabalho danificam gradativamente, as arestas de corte das

brocas, desta forma, a vida útil destas ferramentas é comprometida

negativamente (JURKO; BRYCHTA, 2008; SHARMAN et al., 2008). Exigindo

que a broca seja substituída ou reafiada (DARVISH et al., 2009).

Um problema encontrado nas empresas de usinagem é identificar o momento

adequado para substituir as brocas, a fim de evitar a troca prematura da

ferramenta (DAVIM; BAPTISTA, 2001).

2

Existem critérios para avaliar o momento ideal da substituição e/ou reafiação

das ferramentas, são os chamados critérios de final de vida das brocas

(DAVIM; BAPTISTA, 2001). Infelizmente, estes critérios não são

implementados ou utilizados de forma adequada no chão-de-fábrica,

ocasionando a troca prematura ou tardia da broca; comprometendo a qualidade

do produto e aumentando os custos de produção (MOSHAT et al., 2010;

OLIVEIRA; SILVA JUNIOR, 2010; SOUZA, 2004).

1.1. JUSTIFICATIVA

A furação por meio de usinagem é uma das principais formas utilizadas para,

executar furos em uma superfície (JAAKO; VARIS, 2006). Embora a furação

seja muito utilizada, existe uma carência sobre estudos no assunto

(HAVAJNEH et al., 2011). As brocas são consideradas um elemento chave

nesta operação, afinal, o rendimento destas ferramentas, gera um impacto

direto sobre os custos de fabricação (LI; SHIH, 2007; ZHANG et al., 2000).

Existem diversos tipos de brocas, porém, cada tipo de ferramenta possui

características distintas (KUDLA, 2005). Um dos tipos de brocas mais utilizadas

nas empresas que atuam com usinagem, são as brocas helicoidais de aço

rápido (KO et al., 2003). Segundo Diniz et al. (2006, p. 184) “[...] no Brasil, mais

da metade das operações de furação ainda são realizadas com brocas

helicoidais de aço rápido [...]”.

Em um mercado cada vez mais competitivo, as empresas têm a necessidade

de reduzir seus custos de produção, sem comprometer a qualidade do produto

(JAHARAH et al., 2009; JANTUNEM, 2002). Esta meta é possível com a

otimização do sistema produtivo (JURKO et al., 2011).

Os avanços tecnológicos em diversas áreas do conhecimento, permitiram a

aplicação de novos recursos no chão-de-fábrica; neste contexto está a

amplificação da luz por emissão estimulada de radiação, também conhecida

pela sigla LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),

muito utilizado em diversas aplicações industriais (CASAVOLA et al., 2009). O

3

LASER é essencial para o funcionamento do presetting interno sem contato,

que também é conhecido pelo nome de Toolsetter (FARDIN et al., 2010). Este

equipamento pode ser acoplado em diversas máquinas ferramenta,

especialmente nas do tipo CNC (Comando Numérico Computadorizado), para

detectar eventuais danos às ferramentas de usinagem (RENISHAW, 2003).

Observando as funcionalidades do sistema Toolsetter, foi levantada uma nova

hipótese; a de analisar o desgaste das brocas de aço rápido. Observando a

relevância do assunto apresentado, para as empresas que atuam com a

usinagem, o presente trabalho visa contribuir com uma pesquisa experimental,

para verificar a eficácia do sistema Toolsetter, na medição do desgaste das

brocas helicoidais de aço rápido.

1.2. OBJETIVOS

Os objetivos deste trabalho estão divididos em dois grupos: “objetivo geral”; e

“objetivos específicos”. Na sequencia, cada um destes será apresentado.

1.2.1. OBJETIVO GERAL

Avaliar o desgaste das brocas helicoidais de aço rápido, por meio de um

dispositivo a LASER (Toolsetter).

1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Os objetivos específicos são:

medir o desgaste das brocas por meio do Toolsetter;

medir o desgaste das brocas de aço rápido, utilizando um

software de desenho assistido por computador (CAD - Computer

Aided Design).

1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO

O presente trabalho está estruturado em 6 capítulos, estes são:

4

capítulo I – Introdução, justificativa, objetivos e estrutura do

trabalho;

capítulo II – Levantamento bibliográfico: apresenta o estado da

arte no tema, isto é, um referencial teórico que aborda, os

principais conceitos envolvendo as operações de furação, e sobre

a medição de desgaste das ferramentas em máquinas CNC;

capítulo III – Metodologia: caracteriza o tipo de pesquisa

desenvolvida. Além de descrever como foram realizados: os

ensaios de furação; a coleta de dados; o tratamento dos dados; e

a analise de imagens;

capítulo IV – Resultados: apresenta as variações dimensionais

das brocas; obtidas por meio de medições com o Toolsetter e

através da medição de imagens;

capítulo V – Considerações finais e sugestões para trabalhos

futuros;

referências bibliográficas – Material utilizado para embasar este

trabalho;

referências consultadas – Normas técnicas e demais materiais,

que foram apenas consultados;

apêndice – Informações suplementares.

5

2. LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO

O levantamento bibliográfico tem como objetivo, fornecer um maior

entendimento sobre o assunto pesquisado (GIL, 2002, 2010). Na sequencia,

será apresentado um referencial teórico delimitado; que aborda os principais

conceitos envolvendo a operação de furação, e sobre a medição de desgaste

das ferramentas multicortantes em máquinas CNC.

2.1. A OPERAÇÃO DE FURAÇÃO

A furação surgiu para facilitar a montagem entre os componentes, ou seja,

eram realizados furos na superfície das matérias-primas, para a posterior união

por meio de encaixes do tipo macho-fêmea (SINGH et al., 2009). Ferraresi

(1970, p. XXIX) define a operação de furação como um “[...] processo de

usinagem destinado à obtenção de um furo geralmente cilíndrico numa peça,

com o auxílio de uma ferramenta multicortante [...]”.

A furação é uma das operações de usinagem mais antigas que existem

(WYATT; TRMAL, 2006). Os primeiros registros históricos da utilização da

furação demonstram que, a mais de 4000 anos os egípcios já utilizavam esta

operação em suas construções (BRAGA et al., 1999; ZHANG; WANG, 2010).

Desde então, houve uma evolução gradual da operação de furação; com o

passar dos anos, eventos como a revolução industrial e duas guerras mundiais

proporcionaram um avanço tecnológico em diversas áreas, consequentemente,

a utilização de furos ganhou inúmeras aplicações (GOLDACKER; OLIVEIRA,

2008).

A operação de furação é utilizada na fabricação de: conexões elétricas e

componentes eletrônicos (HINDS; TREANOR, 2000); semicondutores, barcos e

navios (JYWE; CHEN, 2006); móveis (DAVIM et al., 2007); equipamentos

hospitalares (TAYLOR et al., 2010); aviões (FARAS et al., 2009); automóveis

(FARID et al., 2011); e muitos outros.

6

A quantidade de furos utilizados é um fator surpreendente, por exemplo, para

fabricar um avião do tipo Airbus A350, são realizados cerca de 55000 furos

(FARAS et al., 2009).

Além de possibilitar a instalação por meio de encaixes, a furação é muito

utilizada na confecção de roscas tipo “fêmea”, onde, primeiro é necessário

realizar um furo, para que na sequencia seja executada a rosca (DURÃO et al.,

2010a).

A execução de furos também pode ser realizada por meio de outros processos,

por exemplo: estampagem; eletroerosão; corte a plasma; LASER; e outros.

Porem, algumas características como, o local onde executado o furo, os custos

e a espessura do material a ser furado, podem inviabilizar a utilização destes

processos (HUANG et al., 2009; HWANG et al., 2008).

Neste contexto, a usinagem de furos se demonstra um método versátil e

economicamente atraente, por isso, é amplamente utilizada em diversos

segmentos da indústria (RAHAMATHULLAH; SHUNMUGAM, 2011). Estima-se

que, cerca de 40% de todo material removido no processo de usinagem da

indústria automobilística; resulta das operações de furação (FARID et al.,

2011).

A ferramenta multicortante utilizada nas operações de furação é chamada de

“broca”. Basicamente, a furação resulta da combinação de movimentos entre, o

material a ser furado e a broca, estes movimentos são chamados de rotação e

avanço (LI; SHIH, 2007; ZEILMANN; WEINGAERTNER, 2007).

A aplicação dos movimentos de avanço e rotação varia de acordo com o tipo

de máquina utilizada, por exemplo, nas furadeiras, o material permanece

estático e recebe a penetração da broca em rotação. Com os tornos, ocorre o

inverso, ou seja, a peça sofre a rotação, e a broca realiza apenas o movimento

de penetração (KOLE et al., 1997).

O material removido da peça durante a usinagem é chamado de cavaco

(FERRARESI, 1970). Os cavacos possuem formas e dimensões distintas

7

(NOVAK et al., 2011). A Figura 1 apresenta a combinação dos movimentos de

rotação e avanço durante a furação.

FIGURA 1 – COMBINAÇÃO DOS MOVIMENTOS DE ROTAÇÃO E AVANÇO DURANTE A

FURAÇÃO (ADAPTADO DE KOLE ET AL., 1997).

Grande parte das ferramentas de corte possui geometria complexa, para

facilitar o seu estudo, os movimentos de usinagem foram padronizados (DINIZ

et al., 2005). O próximo tópico vai demonstrar com maiores detalhes, os

movimentos que tornam possível a operação furação.

2.1.1. MOVIMENTOS DA OPERAÇÃO DE FURAÇÃO

Os movimentos de usinagem que tornam possível a operação de furação

podem ser classificados em dois grupos, os “ativos” e “passivos”. Movimentos

ativos são os responsáveis pela remoção de material. Estes são (DINIZ, et al.,

2005):

movimento de avanço (Vf) é o deslocamento que permite a

remoção de material de uma superfície (FERRARESI, 1970);

movimento de corte (Vc) é o movimento entre a peça e a

ferramenta que, resulta na remoção de material (FERRARESI,

1970);

8

movimento efetivo de corte (Ve) é o movimento resultante

gerado quando os movimentos de avanço e de corte atuam de

forma simultânea (FERRARESI, 1970);

A Figura 2 exibe os movimentos de corte, avanço e efetivo na operação de

furação; onde também é possível visualizar: o ângulo de avanço φ (fi); o ângulo

de direção efetiva η (eta); e o respectivo plano de trabalho (DINIZ et al., 2005).

FIGURA 2 – MOVIMENTOS NA FURAÇÃO (DINIZ ET AL., 2005).

O ângulo de direção de avanço (φ) define o valor do ângulo e a direção do

avanço de corte, na maior parte das operações de furação, este valor é de 90°,

gerando furos perpendiculares à peça. Já o ângulo de direção efetiva (η)

representa o ângulo formado entre, as direções de corte e efetiva de corte

(DINIZ et al., 2005). O plano de trabalho possui a função de demonstrar todos

os movimentos necessários, para a remoção do cavaco (FERRARESI, 1970).

O segundo grupo dos movimentos de usinagem, é chamado de movimentos

passivos de usinagem, ou seja, todo movimento que não remove material, mas,

é considerado essencial para a realização do corte. Os dois movimentos

passivos de usinagem na furação, serão apresentados abaixo (DINIZ et al.,

2005; FERRARESI, 1970):

movimento de aproximação corresponde a distância percorrida

pela ferramenta de corte, até chegar na peça;

8


















2005; FERRARESI, 1970):



8


















2005; FERRARESI, 1970):



9

movimento de recuo este movimento representa o recuo da

ferramenta após o corte, isto é, o instante em que a ferramenta

se afasta da peça.

Os movimentos de usinagem possuem direções. Segundo Ferraresi (1970, p.

3) “Devem-se distinguir a direção de corte, direção de avanço e direção efetiva

de corte”. Estas direções são instantâneas, e estão relacionadas às

velocidades e percursos da ferramenta de corte (DINIZ et al., 2005).

Na usinagem existem três tipos de velocidades: de corte; de avanço; e efetiva

de corte (DINIZ et al., 2005; FERRARESI, 1970):

velocidade de corte é a velocidade tangencial que ocorre como

consequência da rotação da ferramenta, em relação à peça;

velocidade de avanço é a velocidade da ferramenta no sentido

e direção de avanço;

velocidade efetiva de corte é a velocidade da aresta cortante,

em relação a direção efetiva de corte.

Os percursos da ferramenta cortante referem-se aos percursos de corte,

avanço e efetivo de corte (FERRARESI, 1970):

percurso de corte é a distância percorrida pela aresta de corte

da ferramenta na direção de corte;

percurso de avanço é a distância percorrida pela ferramenta

na direção de avanço;

percurso efetivo de corte é a distância percorrida pela

ferramenta na direção efetiva de corte.

2.1.2. BROCAS HELICOIDAIS DE AÇO RÁPIDO

As brocas são ferramentas multicortantes, desenvolvidas para a execução de

furos cilíndricos. Até 1863 as brocas eram formadas apenas por um corpo

10

cilíndrico e uma ponta. Visando otimizar a operação de furação, Stephen

Ambrose Morse inseriu sulcos helicoidais na broca, para permitir a saída de

cavacos, surgia então à broca helicoidal (ZHANG; WANG, 2010).

Para evitar a fabricação desenfreada de brocas com geometrias e dimensões

variadas, estas ferramentas de corte foram padronizadas. Nos dias atuais, as

brocas helicoidais são confeccionadas de acordo com a norma técnica NBR

6176 (DINIZ et al., 2005; KOLE et al., 1997). Na Figura 3 é possível visualizar

as partes de uma broca helicoidal.

FIGURA 3 – PARTES DE UMA BROCA HELICOIDAL (DINIZ ET AL., 2005).

O diâmetro (Ø) da broca é responsável por fornecer um valor à circunferência

do furo (WALKER, 2004). A guia que envolve o canal helicoidal visa guiar a

broca, e reduzir o atrito entre o corpo da ferramenta e a parede do furo (DINIZ

et al., 2005).

A haste é uma área da ferramenta que é reservada para permitir, a fixação da

broca na máquina. A haste pode ser cônica ou helicoidal (KOLE et al., 1997). A

broca helicoidal de haste cônica é fixada diretamente no cone Morse do eixo

11

arvore da máquina, por meio de um encaixe de pressão. A lingueta de extração

auxilia na remoção da broca (WALKER, 2004). Brocas helicoidais com o

diâmetro inferior a 15 mm possuem a haste cilíndrica, então, a fixação destas

ferramentas na máquina, ocorre por meio de mandris ou pinças (DINIZ, et al.,

2005). Na Figura 4 é possível observar o desenho de uma broca helicoidal com

haste cilíndrica.

FIGURA 4 – DESENHO DE UMA BROCA HELICOIDAL COM HASTE CILÍNDRICA (DINIZ ET

AL., 2005).

A eficiência no corte esta relacionada diretamente aos ângulos da ferramenta,

e ao tipo de material a ser furado (FEDEVJCYK et al., 2009). As Brocas

helicoidais possuem duas arestas cortantes simétricas (ZEILMANN et al.,

2006). Estas duas arestas formam um ângulo na ponta da broca, o chamado

ângulo de ponta, representado pela letra σ (sigma). O valor deste ângulo é

determinado de acordo com a resistência do material a ser furado (COSTA et

al., 2009; KOLE et al., 1997). A Figura 5 demonstra o ângulo de ponta da

broca.

FIGURA 5 – ÂNGULO DE PONTA DA BROCA (KOLE ET AL., 1997).

O ângulo de hélice (Figura 6) representado pela letra γ (gama), tem o objetivo

de conduzir e auxiliar na remoção dos cavacos de usinagem (FERRARESI,

1970). Este ângulo é formado pelo eixo de simetria da broca e a inclinação da

hélice (WALKER, 2004; ZEILMANN et al., 2006).

11






haste cilíndrica.


AL., 2005).








broca.






11






haste cilíndrica.


AL., 2005).








broca.






12

FIGURA 6 – ÂNGULO DE HÉLICE DA BROCA (KOLE ET AL., 1997).

Dependendo do valor de inclinação da hélice, a broca helicoidal pode ser

classificada como “Tipo N”, “Tipo H” ou “Tipo W” (BRAGA et al., 1999). Na

Figura 7, é possível visualizar as três classificações dos ângulos de hélice;

seus respectivos ângulos de ponta e as aplicações.

FIGURA 7 – TRÊS CLASSIFICAÇÕES DOS ÂNGULOS DE HÉLICE; SEUS RESPECTIVOS

ÂNGULOS DE PONTA E AS APLICAÇÕES (BRAGA ET AL., 1999).

Para facilitar a penetração e reduzir o atrito, a broca é possuí de um ângulo

lateral de folga, também conhecido como ângulo de incidência (BRAGA et al.,

12










12










13

1999; FERRARESI, 1970). O valor deste ângulo é definido a partir de dois

fatores, o diâmetro da broca e a dureza do material. Normalmente os ângulos

laterais de folga, variam em torno de 6 a 27° (KOLE et al., 1997; WALKER,

2004). A Figura 8 apresenta o ângulo lateral de folga da broca, representado

pela letra α (alfa).

FIGURA 8 – ÂNGULO LATERAL DE FOLGA DA BROCA (KOLE ET AL., 1997).

Devido a sua versatilidade, as brocas fabricadas em aço rápido (HSS – High

Speed Steel), são as mais utilizadas nas empresas de usinagem (KO et al.,

2003). O aço rápido utilizado na fabricação de brocas helicoidais é uma liga

metálica que possuí em sua composição: carbono (0,89%); vanádio (1,80%);

cromo (4,20%); tungstênio (6,20%); e molibdênio (4,90%). Estas ferramentas

possuem alta resistência ao desgaste, baixo custo e são relativamente fáceis

de serem reafiadas (HOGMARK; OLSSON, 2005; VILLARES METALS, 2005).

Para realizar a furação é importante definir os parâmetros de usinagem de

forma adequada, para assegurar a produtividade sem diminuir a qualidade dos

furos, além de proteger a broca de desgastes prematuros (HUANG, 2008). O

próximo tópico deste trabalho, vai demonstrar como estes parâmetros são

definidos.

2.1.3. PARÂMETROS DE FURAÇÃO

A escolha adequada dos parâmetros de furação é fundamental para obtenção

de resultados satisfatórios na usinagem (LACALLE et al., 2000). Além disso, a

utilização de parâmetros de usinagem inadequados pode reduzir de forma

considerável a vida útil das brocas, podendo ocasionar até falhas catastróficas,

isto é, a quebra da broca (MANSORI et al., 2003). Para minimizar transtornos é

13


















definidos.







13


















definidos.







14

recomendado que os parâmetros de furação sejam definidos de forma previa,

ou seja, antes da usinagem (DUAN; CHEN, 2009).

O primeiro parâmetro a ser determinado é a velocidade de corte. Segundo Kole

et al. (1997, p. 206) “Velocidade de corte é o espaço percorrido pela ferramenta

ou peça em uma unidade de tempo”. Por meio da Equação (1) é possível

calcular a velocidade de corte (DINIZ et al., 2005).

1000r

cndV

(1)

Onde: Vc = velocidade de corte [m/min.]; d = diâmetro da broca [mm]; nr = rotações da broca por minuto [rpm].

O valor da rotação também pode ser obtido por meio de quadros, que

associam o diâmetro da broca a diversos tipos de materiais. O cruzamento

destas informações resulta no valor da rotação (WALKER, 2004). A Figura 9

apresenta o trecho de um quadro, utilizado para obter as rotações em RPM das

brocas helicoidais de aço rápido.

FIGURA 9 – TRECHO DE UM QUADRO UTILIZADO PARA OBTER AS ROTAÇÕES EM RPM

DAS BROCAS HELICOIDAIS DE AÇO RÁPIDO (ADAPTADO DE WALKER, 2004, TRADUÇÃO

DO AUTOR).

15

A Equação (2) é utilizada para calcular a rotação da broca por minuto, nas

operações de furação (KOLE et al., 1997).

dV

dVn cc

r .3181000

(2)

Em que: nr = rotações da broca por minuto [rpm]; Vc = velocidade de corte [m/min]; d = diâmetro da broca [mm].

Assim como o valor da rotação, a velocidade de corte também pode ser obtida

por meio de quadros, cujos valores são o resultado de experiências envolvendo

as ferramentas de corte, e diversos tipos de materiais (FERRARESI, 1970;

KOLE et al., 1997). A Figura 10 ilustra o trecho de um quadro onde é possível

encontrar, o valor da velocidade de corte para brocas fabricadas em aço

rápido, em função do tipo de material que será usinado.

FIGURA 10 – TRECHO DE UM QUADRO ONDE É POSSÍVEL ENCONTRAR O VALOR DA

VELOCIDADE DE CORTE, PARA BROCAS FABRICADAS EM AÇO RÁPIDO, EM FUNÇÃO DO

TIPO DE MATERIAL QUE SERÁ USINADO (KOLE ET AL., 1997).

O segundo parâmetro a ser considerado na operação de furação é o avanço de

corte. Em algumas máquinas o avanço da ferramenta de corte é realizado

manualmente, por exemplo, em furadeiras de bancada (KOLE et al., 1997). Em

máquinas onde o avanço é realizado de forma automática, a velocidade de

avanço é calculada através da Equação (3) (DINIZ et al., 2005).

15



dV

dVn cc

r .3181000

(2)
















15



dV

dVn cc

r .3181000

(2)
















16

dV

fnfV crf

1000. (3)

Onde: Vf = velocidade de avanço [mm/min]; f = percurso de avanço da broca por rotação [mm/rot]; nr = rotações da broca por minuto [rpm]; Vc = velocidade de corte [m/min]; d = diâmetro da broca [mm].

Os valores correspondentes ao percurso de avanço das brocas por rotação

(variável “f”) são fornecidos pelos fabricantes das ferramentas de corte, por

meio de tabelas ou catálogos (MORAES, 2009). A Figura 11 exibe o trecho de

um quadro, onde é possível encontrar o valor do percurso de avanço das

brocas helicoidais por rotação, em função do diâmetro da broca.

FIGURA 11 – TRECHO DE UM QUADRO, ONDE É POSSÍVEL ENCONTRAR O VALOR DO

PERCURSO DE AVANÇO DAS BROCAS HELICOIDAIS POR ROTAÇÃO, EM FUNÇÃO DO

DIÂMETRO DA BROCA (ADAPTADO DE CNC MANIA, 2009).

17

O cálculo dos parâmetros de corte pode ter o auxilio de sistemas

informatizados. Onde o usuário insere os parâmetros no sistema, que executa

alguns cálculos e fornece as novas condições de trabalho ao usuário (CUS et

al., 2006).

A combinação de movimentos entre a broca e a peça gera uma série de

esforços (PETRUCCI; ZUCCARELLO, 1998). Portanto, estimar as forças que

atuam nas operações de furação é importante (ALMASI, 2009; PAIVA JUNIOR,

2007). Os danos catastróficos sofridos pelas brocas, normalmente são gerados

pelo excesso de força durante a usinagem (HUANG, 2009).

A medição de forças durante a operação de furação ocorre com o auxílio de

dinâmometros ou por meio de células de carga (WIERCIGROCH et al., 1998).

Na Figura 12 é possível visualizar as forças atuantes nas brocas helicoidais

durante a furação.

FIGURA 12 – FORÇAS ATUANTES NAS BROCAS HELICOIDAIS (KONIG; KLOCKE, 1997

APUD PAIVA JUNIOR, 2007).

A força passiva (Fp) é a força exercida perpendicularmente ao plano de

trabalho (CRUZ JUNIOR et al., 2009; FERRARESI, 1970). Devido aos

movimentos de rotação e avanço, esta força é praticamente nula quando são

utilizadas na furação brocas de arestas simétricas (SCHROETER et al., 2004).

18

A força de corte nas arestas cortantes (Fc) pode ser estimada por meio da

Equação (4) (SCHROETER et al., 2004).

4dfkF cc

(4)

Na qual: Fc = força de corte [N]; kc = força específica de corte [N/mm2]; f = percurso de avanço da broca por rotação [mm/rot]; d = diâmetro da broca [mm].

A força de avanço (ff) é a reação gerada entre a aresta de corte e direção de

avanço (FERRARESI, 1970). É interessante conhecer o valor desta força, para

verificar se o eixo principal vai suportar os esforços de usinagem. A Equação

(5) representa a força de avanço (SCHROETER et al., 2004).

22

.dfkF ff

(5)

Onde: Ff = força de avanço [N]; kf = força específica de avanço [N/mm2]; f = percurso de avanço da broca por rotação [mm/rot]; d = diâmetro da broca [mm]; σ = ângulo de ponta da ferramenta [grau].

Nas operações de furação a broca é submetida à torsão (BORDIN et al., 2011).

Na usinagem, a torsão é gerada pela resistência de uma superfície ao corte

(FERRARESI, 1970). Durante a furação a torção é originada pelo: contato entre

a peça e as arestas de corte; o esmagamento do material; e o atrito gerado nas

paredes do furo. A Equação (6) demonstra a formula de Kronenberg, utilizada

para calcular o momento torsor (ALMEIDA, 2010; DINIZ et al., 2005).

111 . yx

t fDCM (6)

19

Em que: Mt = momento torsor [kgf.mm]; C1, x1 e y2 = constantes empíricas do material.

As constantes empíricas C1, x1 e y1 de cada tipo de material, podem ser

observadas na Figura 13 (DINIZ et al., 2005).

FIGURA 13 – CONSTANTES EMPÍRICAS PARA O CÁLCULO DO MOMENTO TORSOR (DINIZ

ET AL., 2005).

Na furação a energia desprendida gera altas temperaturas (MOTA et al., 2007).

Estima-se que a deformação gerada pelo atrito entre, a peça e a broca,

transforma 90% da energia mecânica em energia térmica (ZEILMANN;

VACARO, 2008).

As altas temperaturas de trabalho podem contribuir para a formação de

cavacos em forma de fitas, que podem bloquear os canais helicoidais da broca,

causando a falha catastrófica da ferramenta (SAHU et al., 2003; ZEILMANN;

VACARO, 2008).

Ferramentas confeccionadas em aço-rápido, não possuem resistência

mecânica satisfatória em condições rígidas de usinagem, principalmente em

trabalhos a seco (ZEILMANN; VACARO, 2008). Para reduzir as temperaturas

de trabalho na operação de furação, utiliza-se fluídos de corte.

20

2.1.4. FLUÍDOS DE CORTE E A OPERAÇÃO DE FURAÇÃO

Os fluídos de corte são os materiais capazes de: lubrificar (MCCOSH; SWACO,

2007); refrigerar; controlar a rugosidade da superfície; reduzir esforços de

usinagem; proteger contra a corrosão; remover cavacos do local de corte

(BRINKSMEIER et al., 1999); e ampliar a vida útil das ferramentas cortantes

(ADLER et al., 2006; KOPAC; SALI, 2006).

Observando estas propriedades, as empresas empregam fluídos de corte nas

operações de furação (POPKE et al., 1999; WANG et al., 2011). Na furação, os

fluídos são utilizados principalmente para reduzir as temperaturas de trabalho

(KRISHNA et al., 2011). E desta forma, aumentar a vida útil das brocas e

melhorar o acabamento dos furos (IYAGBA; OPETE, 2009).

Os fluídos de corte surgiram em 1890, quando Frederick Winslow Taylor

aplicou água nas operações de usinagem, para reduzir as temperaturas de

trabalho (DINIZ et al., 2005). Visando aprimorar o desempenho dos fluídos de

corte, foram adicionados aditivos químicos, dando origem aos fluídos de corte

emulsionáveis (HASIB et al., 2010).

Segundo Pegado et al., (2003, p. 2), “[...] por definição emulsões são misturas

íntimas de dois líquidos imiscíveis, sendo um deles disperso no outro sob forma

de finas gotículas”. As emulsões possuem em sua composição óleos minerais

ou vegetais e aditivos, que reduzem as tensões existentes entre a água e os

demais compostos; concedendo estabilidade a emulsão (BIANCHI et al., 2004;

DINIZ et al., 2005).

Os fluídos de corte devem ser aplicados na região de atrito entre a peça e a

broca (HUSSAIN et al., 2008; ZEILMANN; SLOMP, 2007). Quando o

comprimento de um furo excede três vezes o diâmetro da broca, a operação de

furação ocorre praticamente a seco, pois a vazão de fluído não consegue

atingir o local da usinagem de forma eficaz; isto ocorre devido ao volume de

saída de cavacos (COSTA et al., 2010).

21

A eficácia do fluído de corte, está relacionada diretamente com o método

utilizado na aplicação do fluído (HAERTEL et al., 2004). Os óleos solúveis em

água podem ser aplicados nas operações de furação por meio de sistemas

hidráulicos ou de forma manual, por meio de almotolias (BELINELLI; MARÇAL,

2009; YORO, 2010).

Quando o fluído de corte é aplicado na furação, por meio de sistemas

hidráulicos, ocorre um ciclo continuo, onde: o fluído de corte que se encontra

em repouso no reservatório [1]; é succionado por uma bomba hidráulica [2]; o

fluído é conduzido por tubulações e mangueiras [3]; a vazão de fluído de corte

atinge o local de furação [4]; em seguida, o fluído de corte escoa por canais e

orifícios, e retorna ao reservatório [5] (KOLE et al., 1997). O ciclo descrito

acima pode ser visualizado na Figura 14.

FIGURA 14 – APLICAÇÃO DO FLUÍDO DE CORTE POR MEIO DE SISTEMAS HIDRÁULICOS

(ADAPTADO DE KOLE ET AL., 1997).

Confeccionadas em plástico ou metal, as almotolias (Figura 15) são recipientes

que possuem a função de armazenar um determinado fluído, até o instante de

sua aplicação. Estes recipientes são normalmente cilíndricos e dotados de um

bico que visa facilitar a aplicação (VALIAS et al., 2009).

22

FIGURA 15 – ALMOTOLIAS (CIMM, 2009).

Após a furação, pode ser aplicado ar comprimido na peça, para auxiliar na

remoção de cavacos e gotas de fluído de corte, que permanecem sobre a

superfície da peça após a usinagem (ZEILMANN; SLOMP, 2007). Com o local

do furo isento de corpos estranhos, será possível realizar medições, para

verificar a existência de defeitos nos furos (CARVAJAL et al., 2011). O próximo

tópico deste trabalho vai abordar os defeitos que ocorrem com maior

frequência nos furos.

2.1.5. DEFEITOS GERADOS NOS FUROS

Atualmente os desafios das empresas de usinagem são: reduzir custos;

ampliar a produtividade; assegurar precisão dimensional e o acabamento das

peças fabricadas (RAMJI et al., 2010).

Os furos podem ter defeitos (CARVAJAL et al., 2011). As principais causas

destes defeitos são: a utilização de brocas que perderam a capacidade do

corte; o emprego de parâmetros de furação inadequados; as altas

temperaturas geradas durante a furação; a posição desalinhada do eixo arvore

em relação à peça; e o excesso de força na furação (KISHORE et al., 2011;

KUDLA, 2003; VASCONCELLOS; ARAUJO, 2011). A Figura 16 apresenta os

defeitos mais comuns nos furos.

23

FIGURA 16 – DEFEITOS MAIS COMUNS NOS FUROS (SCHROETER ET AL., 2004).

Os defeitos nos furos podem ser identificados visualmente ou por meio de

instrumentos de medição, por exemplo, paquímetros ou relógios comparadores

(INSTRUTEMP, 2009; OLIVEIRA et al., 2007).

Os paquímetros são instrumentos destinados à medição de dimensões lineares

externas, internas ou de profundidade. Este instrumento possui uma régua

graduada com encosto fixo, onde, desliza um cursor que se ajusta de acordo

com dimensão a ser medida, normalmente a precisão dos paquímetros é de

0,02 a 0,05 mm (PRIZENDT et al., 1992).

Os relógios comparadores são instrumentos dotados de uma escala e um

ponteiro, cujos movimentos dependem do acionamento de um apalpador. Na

furação, os relógios comparadores podem ser uteis na medição da

circularidade e paralelismo dos furos (PRIZENDT et al., 1992).

Também ocorrem erros com relação à rugosidade dos furos. Segundo Fonseca

et al. (2010, p. 3) “A rugosidade da superfície é um conjunto dessas

irregularidades finas, resultantes da ação inerente do processo de corte”. A

rugosidade das paredes do furo é influenciada por três fatores: a velocidade de

rotação da broca; a velocidade de avanço da ferramenta; e a geometria da

ferramenta cortante (RAHMAN et al., 2009). A rugosidade dos furos pode ser

24

medida utilizando um equipamento chamado rugosímetro (ZEILMANN et al.,

2010). A Figura 17 ilustra o rugosímetro medindo a rugosidade de um furo.

FIGURA 17 – RUGOSÍMETRO MEDINDO A RUGOSIDADE DE UM FURO (COSTA ET AL.,

2007).

O rugosímetro é um equipamento eletrônico, que mede os picos e vales de

uma superfície. A medição ocorre por meio do deslocamento de uma agulha

fabricada em diamante, sobre a superfície do material (COSTA et al., 2007).

As informações medidas pelo rugosímetro são convertidas para parâmetros de

rugosidade (TEDESCO et al., 2006). Os parâmetros de rugosidade existentes

são: rugosidade média (Ra); rugosidade máxima (Ry); rugosidade total (Rt);

rugosidade de profundidade média (Rz); e rugosidade média do terceiro pico e

vale (R3z) (REBRAC, 2009).

O valor de rugosidade exigido pela operação deve ser observado no desenho

da peça antes da operação, deste modo, será possível definir as condições de

usinagem que, possibilitem conceder a rugosidade especificada para a peça

(WALKER, 2004).

Com ou sem erros, após executar uma determinada quantidade de furos, a

broca inevitavelmente acaba se desgastando (PATIL, 2010). Para saber o

momento adequado de trocar esta ferramenta, é importante saber identificar os

tipos de desgaste das brocas helicoidais.

25

2.1.6. TIPOS DE DESGASTE EM BROCAS HELICOIDAIS

Nas operações de furação, as brocas sofrem diversos tipos de desgaste e

perdem a capacidade de corte (LO, 2000; PAYNTER et al., 2009).

Consequentemente, estas ferramentas podem gerar furos fora das

especificações ou sofrer uma falha catastrófica (IMRAN et al., 2008). Tais fatos

são motivos de preocupação para as empresas que trabalham com usinagem,

pois são custos que precisam ser minimizados (LOONG et al., 2001).

Neste contexto, é muito importante que as brocas sejam monitoradas, visando

detectar desgastes na superfície da ferramenta (ATLI et al., 2006; GUILHERME

et al., 2008). Os seis tipos de desgaste das brocas helicoidais são: desgaste

frontal; desgaste de cratera; deformação plástica da aresta de corte;

lascamento; trincas; e quebra (DINIZ et al., 2005).

O desgaste frontal (Figura 18) ocorre com frequência nas brocas helicoidais

(PALIVODA; BOEHS, 2007). Este tipo de desgaste ocorre na superfície de

folga da broca, modificando a sua geometria de corte, comprometendo a

precisão do furo e o seu respectivo acabamento (DINIZ et al., 2005).

FIGURA 18 – DESGASTE FRONTAL (ADAPTADO DE SANDVIK COROMANT, 2006).

O desgaste de cratera (Figura 19) resulta da modificação da superfície de

saída das brocas. Este tipo de desgaste pode levar à ferramenta a falha

catastrófica (DINIZ et al., 2005).

26

FIGURA 19 – DESGASTE DE CRATERA (ADAPTADO DE SANDVIK COROMANT,

2006).

A deformação plástica da aresta de corte (Figura 20) é um dano causado por

forças de corte excessivas e altas temperaturas. Estes fatores causam a

deformação plástica, que reduz o acabamento do furo e pode resultar na

quebra das arestas de corte (DINIZ et al., 2005).

FIGURA 20 – DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DA ARESTA DE CORTE (ADAPTADO DE

SANDVIK COROMANT, 2006).

O lascamento (Figura 21) é um dano que causa a perda de pequenos

fragmentos da broca durante a usinagem, afetando principalmente a aresta de

corte. O lascamento reduz a resistência da broca, compromete a qualidade dos

furos e pode causar fraturas na ferramenta (DINIZ et al., 2005).

FIGURA 21 – LASCAMENTO DA BROCA (ADAPTADO DE SANDVIK COROMANT,

2006).

27

As trincas (Figura 22) são fissuras que resultam da exposição da broca, a altas

temperaturas e grandes esforços de usinagem. As trincas podem surgir em

qualquer ponto da broca; quando estas festas crescem fragilizam a ferramenta

causando a sua quebra (DINIZ et al., 2005).

FIGURA 22 – TRINCAS NO CORPO DA BROCA (ADAPTADO DE SANDVIK

COROMANT, 2006).

A quebra (Figura 23) é o rompimento total de qualquer parte da broca durante a

usinagem. Cada broca possui um comportamento, às vezes a broca pode

sofrer uma fratura antes mesmo de se desgastar, tudo depende das demais

variáveis envolvidas na operação, por exemplo, o avanço de corte acima do

solicitado para a operação (DINIZ et al., 2005).

FIGURA 23 – QUEBRA DA BROCA (SANDVIK COROMANT, 2006).

Os mecanismos responsáveis pelos desgastes das brocas são: aresta postiça

de corte; abrasão mecânica; aderência; difusão; e oxidação (DINIZ et al., 2005;

PATIL, 2008).

As arestas postiças de corte são cavacos que se unem as arestas de corte das

brocas (IMRAN et al., 2008). Estas arestas artificiais alteram o desempenho da

ferramenta com relação: às forças de corte; rugosidade do furo; e desgaste da

broca. O tamanho da aresta postiça aumenta durante a usinagem, até que a

aresta se rompe, removendo pequenas partes da superfície de folga da broca,

28

gerando um desgaste frontal considerável (DINIZ et al., 2005). A Figura 24

exibe uma broca com arestas postiças de corte.

FIGURA 24 – BROCA COM ARESTAS POSTIÇAS DE CORTE (ADAPTADO DE SANDVIK

COROMANT, 2006).

A abrasão mecânica é causada pelo atrito entre a broca e as “partículas duras”,

presentes na composição química da peça. Este tipo de desgaste pode gerar

crateras e desgastes frontais ferramenta. Quanto maior é a resistência da

ferramenta a quente, menor será o desgaste por abrasão (DINIZ et al., 2005;

DURÃO et al. 2010b; FERRARESI, 1970).

A aderência ocorre quando superfícies metálicas entram em contato à altas

temperaturas, formando uma substância resistente que, gera a união entre

partículas da peça e a ferramenta. Este fenômeno é responsável pela formação

de arestas postiças. Para reduzir a sua incidência nas operações de usinagem,

é recomendada a utilização de fluídos de corte com ação lubrificante (DINIZ et

al., 2005; FERRARESI, 1970; GRAVALOS et al., 2007).

A difusão nada mais é do que, a transferência de átomos da peça para a

ferramenta, que resulta na modificação da composição química da broca. O

desgaste gerado na usinagem gera o enfraquecimento da ferramenta,

facilitando à dissolução do material da peça na broca, aumentando a

probabilidade de formação dos desgastes em cratera (DINIZ et al., 2005;

FERRARESI, 1970; SILVA et al., 2004).

A oxidação é um fenômeno gerado pela transferência de elétrons, entre os

reagentes (JARDIM; CANELA, 2004). As altas temperaturas de trabalho,

29

juntamente com a água presente nos fluídos de corte, reagem quimicamente

com o ar, gerando a oxidação da broca e o surgimento de desgastes de

cratera. A oxidação pode afetar qualquer parte da broca, principalmente nas

regiões da ferramenta, onde existe maior contato com cavacos (DINIZ et al.,

2005).

2.1.7. QUANTIFICANDO O DESGASTE DAS BROCAS HELICOIDAIS

Os desgastes presentes nas brocas helicoidais são quantificados por meio de

medições pontuais. Os locais das medições podem ser observados na Figura

25 (KANAI et al., 1978 apud MATTES, 2009):

FIGURA 25 – LOCAIS ONDE SÃO REALIZADAS AS MEDIÇÕES DA BROCA HELICOIDAL

(ADAPTADO DE KANAI ET AL., 1979 APUD MATTES, 2009).

O desgaste presente na quina da broca é representado pela letra “w”. As

variações no flanco da ferramenta, também conhecido como aresta de corte

são representadas por “VB” (desgaste médio do flanco) e “VBmax” (desgaste

máximo do flanco). Para mensurar a deterioração na guia lateral é adotado

“Mw”. As dimensões das crateras são simbolizadas por “Kw” (KANAI et al.,

1979 apud MATTES, 2009).

Quina Flanco Guia

Cratera Aresta transversal Lascamentos na aresta

30

O dano na aresta transversal é medido em relação à largura (“Cm”), e

comprimento (“Ct”). Este desgaste é considerado crítico, porque ocorre no

momento em que o material entra em contato com a broca. No instante da

usinagem, os esforços de corte aliados à velocidade de corte, podem gerar o

esmagamento do material, e até causar danos na aresta transversal. E por

último, o lascamento da aresta, que também é mensurado de acordo com a

largura (“Pm”) e comprimento (“Pt”) da avaria (MATTES, 2009).

2.1.8. COMO O DESGASTE DAS BROCAS HELICOIDAIS PODE SER AVALIADO?

Os desgastes apresentados anteriormente podem ser avaliados por meio de:

medição direta da broca, utilizando instrumentos de medição; inspeção visual;

microscópios de medição; análise de imagens; projetor de perfil; máquina

universal de medir; medição tridimensional (CARVAJAL et al., 2011; HAERTEL

et al., 2004; PRIZENDT et al., 1992, 1998).

O método de medição direta das brocas emprega paquímetros ou micrômetros

externos, para medir as partes cilíndricas da ferramenta (WALKER, 2004). Os

micrômetros são instrumentos que realizam medições de dimensões lineares

externas; estes instrumentos possuem uma precisão superior aos paquímetros,

podendo medir até 0,001 mm (MITUTOYO, 2009).

A extremidade da broca é composta por diversos ângulos, que podem ser

medidos por meio de um goniômetro. Este instrumento tem a função medir

superfícies angulares; sua precisão varia de acordo com o modelo do

instrumento, que pode ser de 1° até 5’ (PRIZENDT et al., 1992). A Figura 26

demonstra um: paquímetro (A); micrometro externo (B); goniômetro (C).

31

FIGURA 26 – PAQUÍMETRO (A), MICROMETRO EXTERNO (B) E GONIÔMETRO (C)

(ADAPTADO DE MITUTOYO, 2009).

Este método de avaliação pode ser executado com facilidade, pois emprega

instrumentos que são encontrados com maior frequência nos locais de

usinagem (MITUTOYO, 2009; PRIZENDT et al., 1992).

O desgaste das brocas pode ser avaliado de forma visual, ou seja, com o

auxílio de uma lupa com retículo (RAMJI et al., 2010; FERRARESI, 1970).

Estes instrumentos possuem um corpo cilíndrico fabricado em alumínio, onde é

instalado um reticulo de medição em aço de alta definição, cuja função é

abrigar lentes de cristal. A resolução destes instrumentos é de 0,1 mm, e sua

capacidade de ampliação é de até 10 vezes (HOLTERMANN, 2011). A Figura

27 apresenta um exemplo de lupa com retículo.

FIGURA 27 – LUPA COM RETÍCULO (HOLTERMANN, 2011).

(A) Paquímetro

(B) Micrometro Externo (C) Goniômetro

32

Durante a medição, a extremidade da broca é inserida horizontalmente em uma

seção semi-vazada, localizada do corpo cilíndrico da lupa com retículo. Para

facilitar a visualização do desgaste, o foco da lupa pode ser ajustado tendo

como referencia uma escala interna, presente na base do instrumento

(FERRARESI, 1970; HOLTERMANN, 2011).

Quando é necessária uma avaliação mais precisa da variação dimensional, são

utilizados microscópios de medição. Neste caso, a broca é retirada da máquina

e instalada em um suporte universal, que permite a visualização da broca no

plano horizontal. O valor da ampliação varia de acordo com o modelo do

microscópio, que pode ser de 250:1 até 2500:1 (FERRARESI, 1970). A Figura

28 ilustra um microscópico de medição.

FIGURA 28 – MICROSCÓPIO DE MEDIÇÃO (MITUTOYO, 2009).

Para permitir a fixação satisfatória do objeto que será medido na mesa do

microscópio, normalmente são confeccionados “suportes especiais”. Estes

dispositivos devem possuir a superfície inferior plana, para evitar eventuais

trepidações durante as observações. O peso dos suportes é um fator

importante que deve ser considerado, afinal, é necessário projetar dispositivos

relativamente leves e práticos, para evitar esforços desnecessários ou até

danos a mesa do equipamento (FERRARESI, 1970).

33

Outra forma de avaliar o desgaste das brocas é por meio da análise de

imagens (PEREIRA, 2010). A Figura 29 exibe a extremidade de corte de uma

broca analisada por este método (LIANG; CHIOU, 2006).

FIGURA 29 – EXTREMIDADE DE CORTE DE UMA BROCA ANALISADA POR MEIO DA

ANÁLISE DE IMAGEM (PEREIRA, 2010).

Neste método, a broca é fotografada antes de ser utilizada com o auxílio de um

microscópio óptico com captura de imagem, em seguida, a ferramenta executa

a usinagem normalmente. Após o trabalho, a mesma broca é fotografada uma

segunda vez. As imagens de antes e depois da usinagem são analisadas com

softwares que permitem a realizar medições nas imagens da ferramenta

(LIANG; CHIOU, 2006; RAM OPTICAL, 2007). Na Figura 30 é possível

visualizar um microscópio óptico com captura eletrônica de imagem.

FIGURA 30 – MICROSCÓPIO ÓPTICO COM CAPTURA ELETRÔNICA DE IMAGEM (RAM

OPTICAL, 2007).

34

O projetor de perfil (Figura 31), também pode ser utilizado para medir o

desgaste das brocas. Este equipamento é utilizado na medição de peças

pequenas e/ou de geometria complexa (PRIZENDT et al., 1998).

FIGURA 31 – PROJETOR DE PERFIL (MITUTOYO, 2009).

Para realizar a medição com o projetor de perfil, a broca é fixada em um

suporte, em seguida, ocorre a instalação deste suporte em um dispositivo

chamado de carro duplo; cuja função é permitir as medições por coordenadas

(MITUTOYO, 2009; PRIZENDT et al., 1998).

O projetor de perfil possui lentes com a capacidade de ampliação que varia de

10 a 100 vezes, o tamanho original do objeto medido (MITUTOYO, 2009;

PRIZENDT et al., 1998). As telas de projeção do projetor são circulares,

rotativas e dotadas de graduação que abrange 360°. Neste caso a medição do

desgaste é realizada por meio da comparação entre, a projeção e um desenho

ampliado da extremidade de corte da broca, que deve ser impresso em papel

transparente e fixado na tela de projeção (PRIZENDT et al., 1998).

A avaliação das variações dimensionais presentes nas brocas, também podem

ser avaliadas com a utilização da máquina universal de medir. Este

equipamento realiza medições em coordenadas retangulares, com o auxílio de

uma mesa circular e cabeçotes divisores (SECCO, 1995a).

35

A máquina universal de medir é caracterizada pela sua precisão, versatilidade

e robustez, que lhe permitem ser adaptada para atuar na calibração de

ferramentas e calibradores (SECCO, 1995a). Na Figura 32 é possível observar

um exemplo de máquina de medir.

FIGURA 32 – MÁQUINA UNIVERSAL DE MEDIR (SECCO, 1995A).

Para realizar as medições com a máquina universal de medir, a broca deve ser

fixada na mesa da máquina, com as arestas de corte voltadas para cima; neste

caso é necessário utilizar um dispositivo especial, projetado e confeccionado

para esta aplicação. O sensor de contato da máquina é posicionado próximo à

extremidade superior da ferramenta de corte, para permitir a varredura de toda

a sua superfície. Após o sensor percorrer todo perímetro de medição da

ferramenta, os dados captados são transferidos a um contador digital,

conectado a máquina universal de medir (PRIZENDT et al., 1998; SECCO,

1995a).

Outra máquina que pode ser utilizada, na avaliação do desgaste das brocas é a

máquina de medir coordenadas tridimensionais. As medições realizadas por

este equipamento ocorrem no espaço tridimensional, ou seja, por meio da

movimentação de três eixos perpendiculares (X, Y, Z). Durante as medições, a

máquina tridimensional pode utilizar sensores dos tipos: mecânicos;

eletrônicos; e ópticos (PRIZENDT et al., 1998; SECCO, 1995b). A Figura 33

demonstra uma máquina de medir coordenadas tridimensionais.

36

FIGURA 33 – MÁQUINA DE MEDIR COORDENADAS TRIDIMENSIONAIS (MITUTOYO,

2009).

Para realizar a medição, a broca precisa ser fixada na mesa da máquina, com

o auxílio de um dispositivo apropriado, em seguida, é necessário referenciar o

equipamento; para que isso seja possível, é adotada uma superfície de

referencia. A medição ocorre com o deslocamento dos eixos sobre a

extremidade cortante da ferramenta. A informação captada pelos sensores é

registrada e armazenada em um sistema eletrônico, que pode ser visualizado

pelo operador do equipamento após a medição (PRIZENDT et al., 1998;

SECCO, 1995b).

Durante a furação é importante substituir a broca desgastada no momento

adequado. Para identificar este “exato momento” é adotado um parâmetro

padrão, o chamado critério de final de vida da ferramenta (WATANABE et al.,

2004). O próximo tópico vai apresentar os principais critérios de final de vida

utilizados na operação de furação.

2.1.9. CRITÉRIOS DE FINAL DE VIDA DAS BROCAS

Após se desgastar e perder a capacidade corte, as brocas devem ser

substituídas. Para determinar o momento adequado desta troca, é necessário

adotar um critério de final de vida; para evitar que as brocas sejam substituídas

37

de forma prematura ou tardia, evitando custos desnecessários (SIMON et al.,

2002; ZEILMANN et al., 2006). O critério de final de vida da ferramenta é

definido de acordo com a cultura de cada empresa (WATANABE et al., 2004).

Os principais critérios de final de vida das brocas podem ser: o desgaste da

extremidade cortante da broca; vibrações ou ruídos durante a usinagem;

dimensional ou acabamento do furo comprometido; rebarbas excessivas no

local do furo; aumento das temperaturas de usinagem; formação de cavacos

com formas incomuns; e número de furos executados (FERRARESI, 1970;

HAERTEL et al., 2004; MASSIRER JUNIOR; GUESSER, 2011; ZEILMANN et

al., 2006).

O desgaste da extremidade cortante da broca é um critério de final de vida,

baseado na medição ou observação da ferramenta. São exemplos deste

critério: a variação dimensional da broca; a queima da extremidade da

ferramenta; o surgimento de faíscas durante a usinagem; a formação de

arestas postiças, crateras, lascamentos, desgastes frontais, e deformações

plásticas (DINIZ et al., 2005; IMRAN et al., 2008; DURÃO et al. 2010b;

PALIVODA; BOEHS, 2007).

O surgimento de vibrações e/ou ruídos durante a usinagem podem ser

utilizados como critérios de final de vida da ferramenta. Este método se baseia

na observação do comportamento da broca durante a furação, isto é, quando a

ferramenta começa a vibrar ou emitir ruídos, significa que a broca deve ser

substituída (MAHYARI et al., 2010; ZEILMANN et al., 2006).

As variações nas dimensões ou no acabamento dos furos; podem indicar

desgastes significativos nas brocas, portanto, estas duas condições são

utilizadas como critério de final de vida. É importante verificar se a ferramenta

ainda possui capacidade de corte, para evitar a execução de furos fora das

especificações (HAERTEL et al., 2004; RAHMAN et al., 2009).

Quando são formadas rebarbas excessivas nos furos, é sinal de que a broca

está perdendo a capacidade de corte, portanto, este fenômeno pode ser

38

considerado um critério de final de vida da broca. Algo semelhante ocorre em

relação ao aumento das temperaturas de corte, ou seja, as brocas desgastadas

necessitam de mais força para executar os furos, então, o atrito entre as

superfícies acaba gerando maiores temperaturas de trabalho (HAERTEL et al.,

2004; MASSIRER JUNIOR; GUESSER, 2011).

Na usinagem o cavaco pode ter as seguintes formas: fita; helicoidal; espiral; em

lascas ou pedaços. Dentre estas formas, a mais preocupante são as dos

cavacos em fita, porque podem: causar acidentes de trabalho; danificar a

máquina; reduzir a vida útil das ferramentas de corte (FERRARESI, 1970;

SILVA; SILVA, 2006). A Figura 34 apresenta as formas de cavaco: fita (A);

helicoidal (B); espiral (C); lascas (D); pedaços (E).

FIGURA 34 – FORMAS DE CAVACO: FITA (A); HELICOIDAL (B); ESPIRAL (C); LASCAS

(D); PEDAÇOS (E) (ADAPTADO DE FERRARESI, 1970).

Normalmente, a forma do cavaco permanece constante durante a usinagem,

quando sua forma é alterada, é sinal de que houve algum desgaste significativo

na ferramenta de corte, portanto, a formação incomum de cavacos, pode ser

utilizada como um critério de final de vida para as brocas (FERRARESI, 1970;

HAERTEL et al., 2004; SILVA; SILVA, 2006).

Outro critério de final de vida das brocas consiste em determinar o número de

furos, que a ferramenta é capaz de executar, antes de perder a sua capacidade

de corte. Este valor é determinado de forma experimental ou matemática

(BEGHINI; BERTINI, 2000; CHINNAM; BARUAH, 2004; FERRARESI, 1970).

38























38























39

Na sequencia, será demonstrado como a vida da broca pode ser estimada por

meio de equações matemáticas.

2.1.10. ESTIMANDO A VIDA ÚTIL DAS BROCAS

Os eventos ocorridos durante o processo de usinagem podem ser

representados matematicamente, inclusive a vida útil das brocas (BENNETT;

HERNÁNDEZ, 2006; VIANA; MACHADO, 2009). Segundo Godoy et al. (2003,

p. 145) “A vida de uma ferramenta de corte pode ser entendida como sendo o

tempo em que a mesma trabalha efetivamente até que se atinja um critério

previamente estabelecido [...]”. A vida útil de uma ferramenta de corte é

representada pela Equação (7), a chamada Equação de Vida de Taylor (DINIZ

et al., 2005).

xcvKT (7)

Onde: T = vida da ferramenta [min.]; K = constante da Equação de Vida de Taylor; x = coeficiente da Equação de Vida de Taylor.

Para obter resultados mais precisos, os valores de x e K devem ser levantados

por meio de ensaios (YANG et al., 2002). A metodologia utilizada para

determinar estes valores, segue os seguintes passos (PALLEROSI, 1975 apud

DINIZ et al., 2005; GRIVOL, 2007):

a) adotar uma velocidade de corte (VC1) e um critério de final de vida durante a

usinagem, em seguida, medir o tempo de vida da ferramenta em minutos;

b) selecionar uma segunda velocidade de corte (VC2) com a variação de

aproximadamente 20% superior ou inferior a VC1 (BAPTISTA, 2004; BAPTISTA;

COPPINI, 2007);

c) executar a usinagem com a VC2 utilizando o mesmo critério de final de vida,

com o objetivo de medir a vida da atual ferramenta em minutos;

40

d) calcular o coeficiente da Equação de Vida de Taylor utilizando a Equação (8)

(BAPTISTA, 2004; BAPTISTA; COPPINI, 2007);

1

2

2

1

log

log

c

c

vvTT

x (8)

Em que: T1 = vida da aresta da primeira ferramenta [min]; T2 = vida da aresta da segunda ferramenta [min]; VC1 = primeira velocidade de corte [m/min]; VC2 = segunda velocidade de corte [m/min].

e) a constante da Equação de Vida de Taylor é calculada pela Equação (9);

xcc vTK 11 (9)

Na qual: Tc1 = tempo efetivo de corte para a primeira velocidade de corte [min].

Estimar a vida útil das brocas é muito importante para assegurar a

produtividade e minimizar os custos usinagem (YANG et al., 2004). Para

auxiliar a tomada de decisão, podem ser utilizados softwares especiais, para

estimar a vida útil das ferramentas de corte (BEGHINI; BERTINI, 2000; LI;

SHIH, 2007). Estes softwares realizam simulações pelo método de elementos

finitos (GARDNER; DORNFELD, 2006).

As simulações são definidas através das condições de contorno, isto é,

equações que descrevem os parâmetros e demais variáveis envolvendo o

objeto de estudo. Através deste método, é possível verificar como a broca se

comporta nas condições pré-estabelecidas (CHINNAM; BARUAH, 2004; SOO;

ASPINWALL, 2007).

41

Por exemplo, é possível verificar como a broca se comporta a uma

determinada temperatura, força, torque ou demais variáveis (LI; SHIH, 2007). A

Figura 35 ilustra o resultado da simulação das temperaturas de usinagem em

uma broca helicoidal, por meio de elementos finitos.

FIGURA 35 – RESULTADO DA SIMULAÇÃO DAS TEMPERATURAS DE USINAGEM EM UMA

BROCA POR MEIO DE ELEMENTOS FINITOS (LI; SHIH, 2007).

Na sequencia será apresentada a segunda parte do referencial teórico, que vai

abordar os assuntos relacionados, à medição de desgaste das ferramentas de

corte em máquinas CNC.

2.2. MEDIÇÃO DE DESGASTE DAS FERRAMENTAS DE CORTE EM MÁQUINAS CNC

Desde a criação do Sistema Toyota de Produção (STP) em 1950, existe uma

enorme preocupação com relação à eliminação de desperdícios (SUGAI et al.,

2007). A filosofia do STP defende o método de produção puxada, Isto é,

produzir somente a quantidade necessária e quando for solicitado (SOUZA e

SILVA et al., 2003).

A produção puxada gerou a necessidade de redução dos tempos de setup,

também conhecidos como tempo de preparação (GODINHO FILHO;

FERNANDES, 2004). Segundo Sugai et al. (2005, p. 3) “Por tempo de

preparação (setup) se entende o tempo do último produto A quando deixa a

máquina até a saída do primeiro produto B com qualidade”. O setup inclui as

etapas de: preparação da máquina; ajustes nas ferramentas; reabastecimento

de matérias primas; inspeção; e limpeza (FUCHIGAMI; MOCCELLIN, 2010).

42

Atualmente as empresas que trabalham com usinagem, têm utilizado com

muita frequência as máquinas CNC (CORRER et al., 2007a; COSTA;

PEREIRA, 2006). Os tempos de setup destas máquinas são uma fonte custos

para as empresas, pois não agregam valor ao produto final (GOLDACKER;

OLIVEIRA, 2008).

Durante a usinagem ocorre o desgaste da ferramenta de corte, desta forma, é

necessário realizar um ajuste na ferramenta, para evitar que a peça tenha o

dimensional comprometido (PEJRYD et al., 2011). Tal ajuste pode ser

mensurado e/ou executado de forma automatizada (FARDIN et al., 2010). O

desgaste das ferramentas em máquinas CNC pode ser medido de três formas

diferentes (VOLPATO et al., 2004):

medição de desgaste manual na própria máquina;

medição de desgaste com dispositivos dentro da máquina;

medição de desgaste por meio de máquinas independentes.

Cada método de medição de desgaste das ferramentas será apresentado

detalhadamente na sequencia.

2.2.1. MEDIÇÃO DE DESGASTE MANUAL NA PRÓPRIA MÁQUINA

A medição de desgaste manual em ferramentas de corte é muito utilizada em

empresas que, não possuem equipamentos específicos para auxiliar nesta

tarefa (CORRER, 2006). Este método de medição utiliza a máquina CNC como

um sistema de medição (CORRER et al., 2011).

A medição de desgaste manual na própria máquina pode ser executada de

duas formas distintas, isto é, utilizando a medição “manual direta” ou por meio

da “usinagem experimental” (CORRER et al., 2005). A Figura 35 exibe o

momento dos preparativos para a medição manual direta.

43

FIGURA 36 – MEDIÇÃO MANUAL DIRETA (VOLPATO ET AL., 2004).

A medição manual direta, segue as seguintes etapas (CORRER, 2006;

VOLPATO et al., 2004):

a ferramenta de corte adequada para operação é selecionada e

instalada no suporte da ferramenta (CORRER, 2006);

o suporte é inserido no magazine da máquina. O magazine é um

cabeçote giratório em formato de torre, sua função é armazenar

uma ou mais ferramentas, para facilitar o manuseio interno das

ferramentas de usinagem (CORRER, 2006; WALKER, 2004);

definir um plano como referência, em seguida, a ferramenta é

movimentada manualmente pelos eixos X, Y e Z até a peça.

Desta forma, ocorre o referenciamento da máquina (CORRER,

2006);

inserir uma folha de papel sobre a superfície da peça (CORRER,

2006);

movimentar o eixo Z até a extremidade da ferramenta tocar na

superfície da peça, assim, será possível determinar o

comprimento da ferramenta. Esta etapa deve ser realizada com

cautela, para evitar impactos entre a ferramenta e a peça;

44

a última etapa consiste em gravar os valores da correção no

comando numérico da máquina.

A medição por meio de usinagem experimental ocorre da seguinte forma

(CORRER, 2006):

a ferramenta de corte adequada para operação, é selecionada e

instalada no suporte da ferramenta. O suporte é inserido no

magazine da máquina (CORRER, 2006);

medir as dimensões da ferramenta e suporte com um paquímetro,

e inserir estes valores no comando numérico da máquina

(CORRER, 2006);

realizar uma usinagem experimental, para que as novas

dimensões da peça sejam, medidas e adotadas como referência

(CORRER, 2006);

as dimensões da peça usinada devem ser comparadas com as

medidas desejadas. O valor da diferença entre as dimensões

deve ser inserido no comando numérico, para corrigir a posição

da ferramenta (CORRER, 2006).

O próximo tópico deste trabalho vai demonstrar os dispositivos que são

instalados nas máquinas CNC, para medir o desgaste das ferramentas de

corte.

2.2.2. MEDIÇÃO DE DESGASTE COM DISPOSITIVOS DENTRO DA MÁQUINA

Existem equipamentos desenvolvidos para máquinas CNC, com a função de

medir o desgaste das ferramentas de corte ou detectar eventuais falhas

catastróficas (FARDIN et al., 2010). Estes dispositivos são chamados de

presetters internos (CORRER et al., 2007b). O local de atuação dos presetters

internos é dentro da máquina CNC, onde é possível detectar avarias na

45

ferramenta de corte, durante o intervalo entre a usinagem das peças

(VOLPATO, REBEYKA, COSTA, 2004).

Ao detectar variações na extremidade da ferramenta, o presetting interno envia

esta informação comando numérico que, corrige a posição da ferramenta

automaticamente. Os dois tipos de presetters internos são: o presetting interno

por contato (Tool-Setting Probe); e o presetting interno sem contato (Tool

Setting LASER) também conhecido como Toolsetter (CORRER, 2006;

RENISHAW, 2011).

O presetting interno por contato (Figura 37) detecta variações e danos no

diâmetro ou comprimento da ferramenta, por meio de sensores de contato.

Este tipo de presetting pode ser utilizado em qualquer máquina de usinagem

CNC (CORRER, 2006; VOLPATO, REBEYKA, COSTA, 2004; RENISHAW,

2011).

FIGURA 37 – PRESETTING INTERNO POR CONTATO (VOLPATO ET AL., 2004).

O presetting interno sem contato, como o próprio já diz, realiza a detecção de

variações na ferramenta sem que, ocorra o contato direto com o presetting,

neste caso, a medição ocorre por meio de um feixe de LASER. Este tipo de

presetting é capaz de medir, variações dimensionais no diâmetro e

comprimento da ferramenta de corte (RENISHAW, 2003). Na Figura 38 é

possível visualizar o esquema de medição de desgaste de uma ferramenta,

com o presetting interno sem contato.

46

FIGURA 38 – O ESQUEMA DE MEDIÇÃO DE DESGASTE DE UMA FERRAMENTA, COM O

PRESETTING INTERNO SEM CONTATO (RENISHAW, 2003).

Este presetting é dotado de dois circuitos, um emissor e outro receptor

(RENISHAW, 2003). O circuito emissor possui um diodo, cuja função é emitir

um feixe de LASER constante. Quando emitido, o feixe de LASER passa por

duas lentes, uma localizada na saída do transmissor, e outra na entrada do

sistema receptor, deste modo, o foco do LASER é ampliado permitindo que o

feixe atinja o sistema óptico do circuito receptor (CORRER, 2006; VOLPATO,

REBEYKA, COSTA, 2004; RENISHAW, 2011).

A medição de desgaste por meio do presetting interno sem contato é

relativamente simples (CORRER, 2006; CORRER et al., 2010; RENISHAW,

2003):

a ferramenta de corte deve ser selecionada e instalada no suporte

da ferramenta, em seguida, o suporte é inserido no magazine da

máquina (CORRER, 2006; CORRER et al., 2010; RENISHAW,

2003);

é necessário referenciar o sistema do presetting, para fornecer os

valores das dimensões iniciais da ferramenta (antes da

usinagem), para que posteriormente seja possível identificar o seu

respectivo desgaste. Durante o referenciamento, o eixo principal

da máquina se desloca em direção ao presetting, em seguida, a

extremidade da ferramenta se aproxima, e interrompe

47

parcialmente o feixe de LASER. A obstrução do LASER é

convertida para um valor e enviada ao comando numérico da

máquina (CORRER, 2006; CORRER et al., 2010; RENISHAW,

2003);

a ferramenta de corte executa a usinagem de uma quantidade de

peças pré-determinada (CORRER, 2006; CORRER et al., 2010;

RENISHAW, 2003);

ocorre a medição da ferramenta, o eixo principal da máquina se

desloca em direção ao presetting, em seguida, a extremidade da

ferramenta se aproxima, e interrompe parcialmente o feixe de

LASER do sistema receptor. Caso exista alguma variação nas

dimensões da ferramenta, o sistema do presetting envia um sinal

para o comando numérico da máquina, que corrige a posição da

ferramenta automaticamente (CORRER, 2006; CORRER et al.,

2010; RENISHAW, 2003).

A Figura 39 demonstra a medição de desgaste de uma broca com o presetting

interno sem contato.

FIGURA 39 – MEDIÇÃO DE DESGASTE DE UMA BROCA COM O PRESETTING INTERNO SEM

CONTATO (RENISHAW, 2003).

48

Além dos presetters internos, o desgaste das ferramentas de corte também

pode ser mensurado com o auxílio de máquinas independentes, ou seja,

aquelas que estão fora do local de usinagem (ARONSON, 2000; CORRER,

2006; CORRER et al., 2011; VOLPATO, REBEYKA, COSTA, 2004).

2.2.3. MEDIÇÃO DE DESGASTE POR MEIO DE MÁQUINAS INDEPENDENTES

A medição de desgaste por meio de máquinas independentes utiliza sistemas

conhecidos como presettings externos (CORRER et al., 2007b; VOLPATO,

REBEYKA, COSTA, 2004). Este método foi desenvolvido na década 40, para

atuar como uma opção a pré-ajustagem manual de ferramentas (ARONSON,

2000; CORRER, 2006).

Os presettings externos não possuem vinculo direto com a máquina CNC,

portanto, podem ser instalados em qualquer ponto do chão-de-fábrica. A

máquina CNC pode estar usinando a peça, enquanto operador realiza a

medição de uma ferramenta que será utilizada posteriormente (SANTOS et al.,

2006). Estes equipamentos possuem um ou mais suportes, para a fixação do

transmissor e receptor (ARONSON, 2000; FARDIN et al., 2010).

Os valores obtidos com o auxílio do presetting externo são digitados no

comando numérico da máquina ou transferidos via rede, por meio de softwares

especiais (CORRER et al., 2011; SANTOS et al., 2006). Os presettings

externos podem ser classificados como, manual ou automático (CORRER,

2006).

O presetting externo do tipo manual (Figura 40) é considerado de baixo custo,

pois não emprega uma tecnologia muito avançada, ou seja, realiza a medição

das ferramentas por meio de réguas e relógios comparadores. Neste método, a

habilidade do operador é essencial para assegurar a precisão da medição

(BIDEFORD TOOL, 2011; CORRER, 2006; FULLONE, 2002).

49

FIGURA 40 – PRESETTING EXTERNO DO TIPO MANUAL (BIDEFORD TOOL, 2011).

O presetting externo do tipo automático utiliza recursos tecnológicos avançados

como, LASER, réguas ópticas e máquinas fotográficas, para medir o desgaste

das ferramentas de corte (VOLPATO, REBEYKA, COSTA, 2004).

A precisão deste tipo de equipamento é elevada, além disso, os erros de

medição são reduzidos significativamente, pois o trabalho do operador consiste

apenas em posicionar a peça no suporte do presetting, e movimentar o sensor

responsável pela medição em direção à aresta desgastada da ferramenta

(ARONSON, 2000; CORRER, 2006; FULLONE, 2002; ZAMEC, 2011). Na

Figura 41 é possível observar um presetting externo do tipo automático.

FIGURA 41 – PRESETTING EXTERNO DO TIPO AUTOMÁTICO (ZAMEC, 2011).

50

O referencial teórico sobre, a furação e a medição de desgaste nas

ferramentas de corte em máquinas CNC, foi apresentado. O próximo capítulo

deste trabalho vai abordar a metodologia utilizada no desenvolvimento desta

pesquisa.

3. METODOLOGIA

A metodologia é a etapa responsável por descrever os procedimentos e demais

detalhes da pesquisa (GIL, 2002, 2010).

3.1. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA

Este trabalho é de natureza exploratória, segundo Gil (2002, p. 41) “Estas

pesquisas têm como objetivo proporcionar maior familiaridade com o problema,

com vistas a torná-lo mais explícito ou a construir hipóteses”.

O tipo de delineamento adotado é o de uma pesquisa experimental, cujos

objetivos são: adotar um objeto de estudo; selecionar as variáveis que podem

influenciá-lo; adotar métodos para controlar estas variáveis; escolher um

método para verificar como o objeto de estudo se comporta em relação às

alterações nas variáveis (BAPTISTA, 2004; GIL, 2002; PAULON,

ROMAGNOLI, 2010).

3.2. ETAPAS DA PESQUISA

As etapas desta pesquisa experimental foram desenvolvidas tendo como base

Gil (2002, 2010).

a) Definição do problema: a pesquisa experimental tem inicio com a

definição de um problema, este deve ser apresentado de forma clara e

objetiva (GIL, 2002, 2010). O problema tratado neste trabalho é:

a medição do desgaste de brocas helicoidais de aço rápido, por

meio do uso de um dispositivo a LASER é eficaz?

b) Revisão da literatura: é a etapa responsável pela busca do estado da

arte, relacionando a teoria já existente, com o problema abordado na

presente pesquisa (GIL, 2002, 2010).

52

a revisão da literatura teve como objetivo principal, a busca por

materiais publicados durante os últimos 5 anos. Deste modo, a

contextualização teórica deste trabalho foi baseada em: artigos

científicos (nacionais e internacionais); livros; folhetos técnicos

(datasheets); sites da internet; e consultas a normas técnicas.

c) Construção de hipóteses: a pesquisa experimental deve ser constituída

a partir hipóteses que visam estabelecer uma relação entre, as variáveis

e a ocorrência um determinado fenômeno. A pesquisa experimental

pode ter apenas uma hipótese, portanto, existe uma semelhança entre a

hipótese formulada e o problema definido anteriormente (GIL, 2002,

2010). Com relação ao presente trabalho, a hipótese é:

“se” durante a usinagem, as brocas helicoidais de aço rápido

sofrerem desgastes ou demais alterações dimensionais, o sistema

de medição a LASER, pode medir estas variações com precisão.

d) Seleção das variáveis: as variáveis de uma pesquisa experimental

devem facilitar a compreensão de um determinado fenômeno, isto é,

gerar condições para que seja realizada a sua investigação (GIL, 2002).

Para gerar o desgaste nas brocas helicoidais de aço rápido, foi

necessário manipular duas variáveis:

velocidade de corte;

avanço.

e) Coleta de dados: deve descrever os métodos empregados na aquisição

dos dados (GIL, 2002):

os dados estudados neste trabalho, foram obtidos por meio de

ensaios de furação, utilizando um sistema de medição a LASER,

para mensurar as variações dimensionais das brocas.

53

f) Análise dos dados: é a etapa responsável pelo estudo das informações

obtidas na coleta de dados (GIL, 2002, 2010). Neste trabalho, a análise

dos dados ocorreu da seguinte forma:

Os dados referentes as variações dimensionais, foram agrupadas

e organizadas em um software de planilhas eletrônicas, para a

analise e emissão de gráficos.

as brocas utilizadas nos ensaios foram fotografadas e analisadas

pelo software CAD, onde foi possível evidenciar a existência do

desgaste nas brocas helicoidais de aço rápido.

No próximo tópico serão fornecidos mais detalhes sobre os ensaios de furação.

3.3. DETALHES SOBRE O ENSAIO DE FURAÇÃO

Os ensaios de furação foram realizados na empresa GEOTECNO, localizada

na cidade de Santa Barbara D’ Oeste. Os corpos de prova utilizados são placas

redondas de aço 4340 com Ø152 x 49,6 mm; a dureza média de cada corpo de

prova é de 30 HRC.

Além do material já descrito, também foi empregada uma barra redonda de aço

INOX, com Ø95 x 39 mm; para a realização de um ensaio preliminar. Cada

corpo de prova possui um furo de centro passante, com 30 mm de diâmetro.

A máquina utilizada nos ensaios de furação é um centro de usinagem CNC,

modelo ROMI DISCOVERY 560. Na Figura 42 é possível observar este centro

de usinagem CNC.

Nos ensaios foi utilizado um sistema automático para medição de ferramentas

a LASER; o Toolsetter modelo TSG 1213. Este equipamento tem a precisão de

0,0002 mm. As dimensões do Toolsetter são de 42 x 110 x 240 mm; com

espaço livre de 140 mm para a medição. O feixe de LASER emitido pelo

Toolsetter é vermelho e possui o comprimento de onda de 635 nm

(nanômetro); com 1 mm de diâmetro.

54

FIGURA 42 – CENTRO DE USINAGEM UTILIZADO NOS ENSAIOS DE FURAÇÃO (ADAPTADO

DE ROMI, 2005).

A medição do desgaste é baseada na diferença de comprimento da broca, ou

seja, o comprimento total da ferramenta é medido na preparação da máquina e

depois de cada usinagem, visando detectar variações dimensionais nas

ferramentas de corte.

Para realizar cada medição, a extremidade da broca deve ser posicionada

horizontalmente no centro do feixe de LASER, que é emitido pelo Toolsetter.

Em seguida, a extremidade da ferramenta é avançada verticalmente (para

baixo), gerando a interrupção parcial do feixe de LASER. A Figura 43

apresenta um esquema onde é possível visualizar a medição da broca

utilizando o Toolsetter.

55

FIGURA 43 – ESQUEMA ONDE É POSSÍVEL VISUALIZAR A MEDIÇÃO DA BROCA

UTILIZANDO O TOOLSETTER (ADAPTADO DE RENISHAW, 2003).

O Toolsetter possui um conversor analógico digital, cuja função é converter

uma grandeza física para valores binários, desta forma, estes valores podem

ser processados por um computador (COSTA, Y. G. G., 2008). Seguindo este

principio, a interrupção do feixe de LASER gerada pela presença da broca, é

convertida para números binários e posteriormente enviados a um computador,

onde são transformados em valores numéricos reais, para facilitar a

interpretação dos dados.

O presetting interno sem contato foi conectado via cabo USB (Universal Serial

Bus) a um notebook, permitindo que as informações do ensaio, fossem

enviadas e registradas no software de aquisição de dados.

Nos ensaios foram utilizadas brocas helicoidais de aço rápido, com 10 mm de

diâmetro. As extremidades das brocas helicoidais são formadas por uma ponta

com ângulo de 118° (WALKER, 2004). O Toolsetter foi preparado para medir a

ferramenta em nove pontos distintos; a Figura 44 ilustra este nove pontos da

broca helicoidal.

56

FIGURA 44 – PONTOS MEDIDOS NA EXTREMIDADE DE CORTE DA BROCA HELICOIDAL

(ADAPTADO DE PAIVA JUNIOR, 2007).

Na Figura 44, os nove pontos na extremidade da broca são equidistantes. Os

pontos “E1” e “D9” não estão alinhados ao corpo cilíndrico da ferramenta; estes

espaços foram reservados para reduzir a influência dos raios de canto da

broca, durante as leituras do Toolsetter.

Para que seja possível realizar a medição de cada um dos nove pontos, as

arestas de corte da broca precisam ser posicionadas à aproximadamente 90°

em relação ao feixe de LASER. A medição ocorre por meio de cinco

deslocamentos verticais da broca, em direção ao feixe de LASER. Os pontos

medidos a cada deslocamento são: “E1” e “D9”; “E2” e “D8”; “E3” e “D7”; “E4” e

“D6”; e por último o ponto “C5”.

O Toolsetter realiza a medição da variação dimensional, presente no

comprimento total da ferramenta, isto é, a distância entre a extremidade

superior da haste da broca, até um dos nove pontos anteriormente

apresentados. A Figura 45 ilustra um exemplo de variação dimensional no

ponto “C5” da broca.

57

FIGURA 45 – EXEMPLO DE VARIAÇÃO DIMENSIONAL NO PONTO “C5” DA BROCA, APÓS

ALGUMAS FURAÇÕES (ADAPTADO DE DINIZ ET AL., 2005).

3.4. PREPARAÇÃO DA MÁQUINA PARA O ENSAIO DE FURAÇÃO

Para realizar os ensaios de furação no centro de usinagem CNC,

primeiramente foi necessário executar os seguintes procedimentos: configurar

o comando numérico da máquina; instalar a broca helicoidal de aço rápido;

fixar o corpo de prova na mesa da máquina (Figura 46); acionar o sistema

pneumático; executar o software de aquisição de dados no notebook; e acessar

as rotinas de programação no comando numérico.

FIGURA 46 – CORPO DE PROVA FIXADO NA MESA DA MÁQUINA.

58

As rotinas de programação da máquina CNC foram desenvolvidas pela

empresa GEOTECNO. Para realizar os ensaios foram utilizados três

programas, o programa número “1”, “2” e “3”.

O programa número “1” é o responsável por executar os furos nos corpos de

prova.

O programa número “2” foi criado para zerar a broca, ou seja, referenciar a

posição da ferramenta, que está sendo utilizada pela primeira vez. Todas as

vezes que uma nova ferramenta for instalada, é necessário executar as rotinas

deste programa.

As rotinas do programa número “3” foram desenvolvidas para realizar a

medição do desgaste das brocas. Sua função é fazer com que a broca pare de

rotacionar, e se desloque até o local onde se encontra o presetting, para que

seja realizada a medição do desgaste na extremidade da broca.

A cada nova broca instalada na máquina; primeiramente foi executado o

programa “2”, em seguida o programa “3” e por último o programa “1”.

Após a preparação da máquina foi realizado um pré-teste, para verificar o

comportamento dos equipamentos durante os ensaios de furação.

3.5. PRÉ-TESTE

No pré-teste o corpo de prova utilizado foi uma placa cilíndricas de aço INOX.

O “Apêndice A” demonstra o desenho completo do corpo de prova, utilizado no

pré-teste. Os furos realizados nos ensaios de furação deste trabalho; foram

executados nas faces planas dos corpos de prova.

O primeiro furo no ensaio de pré-teste, ocorreu com velocidade de corte de 12

m/min e avanço de 0,03 mm/rot. A furação foi executada a seco, isto é, sem a

utilização de fluído de corte. As arestas de corte da broca foram observadas, e

nestas condições não houve um desgaste significativo, então a velocidade de

avanço foi aumentada em 20%.

59

Nesta nova condição, houve um aquecimento excessivo na broca, fazendo com

que a sua ponta ficasse arredondada. O desgaste foi tão expressivo que esta

ferramenta não pode ser medida pelo Toolsetter. Durante o pré-teste foram

realizados apenas dois furos, então, foi possível chegar às seguintes

conclusões:

para reduzir as temperaturas de trabalho nos próximos ensaios de

furação, será necessário utilizar fluído de corte;

é indispensável instalar uma mangueira de ar próxima no local de

usinagem, para remover gotas de fluído de corte que

permanecem na broca após a furação, afinal, as gotas de fluído

podem vir a interferir na medição da broca pelo presetting;

para aumentar o desgaste das brocas nos próximos ensaios, a

velocidade de corte deve ser aumentada e velocidade de avanço

reduzida, visando aumentar o atrito entre as arestas de corte e o

material, para aumentar o desgaste das brocas.

Após a experiência do pré-teste, foram tomadas algumas providências

baseadas nas observações citadas; e foram executados os ensaios de furação.

3.6. ENSAIOS DE FURAÇÃO

Para realizar os ensaios de furação foram utilizadas placas cilíndricas de aço

4340. O “Apêndice B” demonstra o desenho completo do corpo de prova,

utilizado nos ensaios. A Figura 47 apresenta o momento em que a broca se

aproxima do corpo de prova, para executar o furo.

60

FIGURA 47 – A BROCA SE APROXIMANDO DO CORPO DE PROVA, PARA EXECUTAR O

FURO.

Após executar a usinagem, a porta frontal da máquina foi movida para

esquerda, e um fluxo de ar comprimido foi emitido em direção à broca, para

remover gotas remanescentes de fluído de corte e eventuais cavacos. Em

seguida, a mesa da máquina se desloca, para permitir que a broca seja medida

pelo Toolsetter. A Figura 48 demonstra o Toolsetter utilizado neste trabalho.

FIGURA 48 – TOOLSETTER UTILIZADO NESTE TRABALHO.

61

Foram compradas quinze brocas helicoidais de aço rápido. No total, foram

executados 282 furos. A Figura 49 ilustra o corpo de prova após o ensaio de

furação.

FIGURA 49 – CORPO DE PROVA APÓS O ENSAIO DE FURAÇÃO.

O critério de final de vida da ferramenta, adotado nos ensaios foi à perda da

capacidade de corte; quando este fenômeno ocorreu foram gerados ruídos,

então, neste instante a usinagem foi suspensa para a substituição da broca.

3.7. TRATAMENTO DOS DADOS COLETADOS

Para acessar os dados coletados durante os ensaios, foi necessário localizar e

abrir o arquivo com as medições; no diretório do software de aquisição de

dados. Após ser localizado, o arquivo foi executado por meio de um editor de

texto, o “Bloco de notas”. A Figura 50 exibe um arquivo de texto, com as

dimensões da broca.

62

FIGURA 50 – ARQUIVO DE TEXTO COM AS DIMENSÕES DA BROCA.

Os dados das medições foram copiados para um software de planilhas

eletrônicas, em seguida, estas informações foram organizadas em colunas,

como apresenta a Figura 51.

FIGURA 51 – EXEMPLO DE UMA PLANILHA COM OS DADOS DO ENSAIO DE FURAÇÃO.

Neste exemplo de planilha (Figura 75), cada coluna de “F1” a “F7” representa

um furo realizado no ensaio. As dimensões da broca, medidas pelo presetting

antes do ensaio estão localizadas na coluna “Nova”.

Os valores extraídos do bloco de notas representam as dimensões da broca, e

não as suas variações dimensionais, então, para facilitar a interpretação dos

dados, foi inserida uma fórmula na planilha eletrônica, que executa a

subtração; assim foi possível calcular a diferença entre o valor das dimensões,

que resulta na variação dimensional presente na broca.

Por exemplo, na coluna “Posição”, linha “E1” da Figura 75, a broca possui a

dimensão de 175,2820 mm (valor correspondente a distancia do ponto de

63

medição “E1” até a extremidade da haste da ferramenta, medido pelo

Toolsetter). Após a usinagem este mesmo ponto foi medido novamente, o valor

(175,2840 mm) foi inserido na posição “E1” da coluna “Furo 1”; a planilha

executou o cálculo (175,2820 - 175,2840), que resultou na variação

dimensional de -0,0020 mm.

A Coluna “Ref.” foi inserida para auxiliar na geração dos Gráficos. Todos os

valores adotados nesta coluna são iguais a “zero”, assim, foi possível gerar

gráficos tendo “zero” como variação dimensional inicial.

Para facilitar a interpretação dos dados, foram gerados dois tipos de gráficos

de linhas com marcadores, visando observar duas situações distintas:

a primeira situação, consiste em observar as variações

dimensionais por posição da broca, após a execução de cada

furo; visando gerar um histórico ao longo do ensaio;

a segunda situação, incide na avaliação das variações

dimensionais presentes na ferramenta, depois da realização do

último furo, ou seja, antes da broca perder totalmente a sua

capacidade de corte.

3.8. MÉTODO UTILIZADO NA OBTENÇÃO DE IMAGENS DAS BROCAS

As brocas utilizadas nos ensaios foram fotografadas, com o auxílio de um

microscópio óptico, que possui a capacidade de ampliação de até 200 vezes.

Este microscópio utiliza a tecnologia “plug and play” (plugar e utilizar). Uma

extremidade do cabo USB foi conectada ao aparelho e outra a um computador,

então, um software fornecido juntamente com o microscópio, possibilitou o

registro, visualização e ampliação das imagens (IMPORTÉCNICA, 2010).

Para fotografar a broca, o microscópio foi instalado em uma base especial,

dotada de uma coluna vertical cilíndrica. Com o objetivo de facilitar a

observação de variações dimensões das brocas, a ferramenta foi fotografada

em cinco posições diferentes: aresta de corte “1”; aresta de corte “2”; lateral “1”;

64

lateral “2”; e topo. A Figura 52 demonstra cada uma das cinco posições que,

foram fotografadas nas brocas helicoidais de aço rápido.

FIGURA 52 – CADA UMA DAS CINCO POSIÇÕES QUE FORAM FOTOGRAFADAS NAS

BROCAS HELICOIDAIS DE AÇO RÁPIDO.

Para permitir que as brocas fossem fotografadas sempre na mesma posição,

foi desenvolvido e confeccionado um dispositivo de fixação. A Figura 53 ilustra

o desenho simplificado do dispositivo empregado na fixação das brocas

helicoidais.

FIGURA 53 – DESENHO SIMPLIFICADO DO DISPOSITIVO EMPREGADO NA FIXAÇÃO DAS

BROCAS HELICOIDAIS PARA O REGISTRO DE IMAGENS.

65

O desenho completo deste dispositivo de fixação pode ser visualizado no

“Apêndice C". Este dispositivo confeccionado em madeira; possui três furos

com 10 mm de diâmetro, onde são inseridas as extremidades cilíndricas das

brocas.

As fotos das “arestas de corte 1 e 2” foram fotografadas na face superior do

dispositivo, utilizando o orifício com inclinação de 59°, assim, as imagens das

arestas de corte, formaram o ângulo de 90° paralelo a face do dispositivo.

O furo presente na face lateral esquerda do dispositivo, foi utilizado para

fotografar as fotos da “lateral 1 e 2” das brocas. E por último, o furo

perpendicular à face superior do dispositivo, cuja função é permitir a retirada de

fotos do “topo” (vista superior) das ferramentas.

3.9. PROCEDIMENTO EMPREGADO NA MEDIÇÃO DE IMAGENS

As imagens das brocas foram medidas com o software AUTOCAD versão

2009. Para demonstrar que existiram variações dimensionais nas brocas, foram

analisadas apenas as imagens das “arestas de corte 1 e 2” de cada

ferramenta, visando quantificar o desgaste “VB”.

Para realizar medições foi necessário conhecer uma dimensão real da broca.

Foi selecionado o comprimento da aresta de corte, que é de 5,8332 mm; este

valor foi calculado por meio da geometria da broca.

Para definir o valor da escala na imagem, foram traçadas duas linhas sobre a

imagem da broca (Figura 54). Primeiro foi desenhada uma linha vermelha na

vertical, que corta o centro da ferramenta, em seguida, foi esboçada uma linha

amarela inclinada, que acompanha o ângulo da aresta de corte (MARTINS,

2012).

66

FIGURA 54 – DUAS LINHAS SOBRE A IMAGEM DA BROCA.

No local onde são inseridas as linhas de comando (campo Command) foram

digitadas as letras “SC”, então o comando Scale foi acionado. Foram

selecionados três objetos, ou seja, a imagem da broca e as duas linhas

traçadas, em seguida, o botão Enter do teclado foi pressionado (MARTINS,

2012). O software solicita a seleção de um ponto como referencia para escala,

conforme demonstra a Figura 55.

FIGURA 55 – PONTO DE REFERENCIA SELECIONADO PARA A ESCALA.

Após clicar no ponto de referencia, é necessário digitar a letra “R” de Reference

no campo Command, na sequencia, o botão Enter do teclado foi pressionado.

Com o cursor do mouse, é necessário apontar os dois pontos da linha (inicial e

final) que representa a dimensão conhecida, neste caso, as extremidades da

linha amarela. Na Figura 56 é possível visualizar os dois pontos selecionados.

67

FIGURA 56 – DOIS PONTOS QUE REPRESENTAM A DIMENSÃO CONHECIDA.

No campo Command surge a seguinte solicitação Specify new length, neste

momento deve digitado o valor da dimensão conhecida, isto é, o comprimento

da hipotenusa 5,8332 mm. No software o valor foi inserido sem unidade e com

ponto ao invés de vírgula (5.8332), em seguida a tecla Enter foi pressionada.

Para verificar se a escala está configurada de forma correta, basta digitar no

campo Command, as letras “DI” para acionar o comando Distance. Utilizando o

mouse, é necessário clicar uma vez, em cada extremidade da linha com

dimensão conhecida (linha amarela), e observar o resultado no campo

Distance (Figura 57).

FIGURA 57 – RESULTADO DA MEDIÇÃO POR MEIO DO COMANDO DISTANCE.

Este procedimento precisa ser repetido ao analisar cada imagem presente

neste trabalho. As arestas de corte das brocas foram traçadas e medidas, em

oito pontos: “E1”; “E2”; “E3”; “E4”; “D6”; “D7”; “D8”; e “D9”.

A Figura 58 apresenta duas figuras, onde é possível visualizar um exemplo de

desgaste médio do flanco (VB), nos pontos “E1” e “E2” (lado esquerdo); “E3” e

“E4” (lado direito) da aresta de corte esquerda.

68

FIGURA 58 – EXEMPLO DE DESGASTE VB NOS PONTOS “E1”; “E2”; “E3” E “E4” DA

ARESTA DE CORTE ESQUERDA.

O mesmo procedimento de medição foi realizado na aresta de corte direita,

para mensurar a variação dimensional média nos pontos “D6”, “D7”, “D8”, e

“D9”. A Figura 59 demonstra duas figuras, onde é possível observar um

segundo exemplo de desgaste VB, nos pontos “D8” e “E9” (lado esquerdo);

“D6” e “D7” (lado direito) da aresta de corte esquerda.

FIGURA 59 – EXEMPLO DE DESGASTE VB NOS PONTOS “D6”; “D7”; “D8” E “D9” DA

ARESTA DE CORTE DIREITA.

O ponto “C5” não foi medido por meio da analise de imagens; este valor foi

medido de forma direta, com um paquímetro.

No próximo tópico deste trabalho, serão apresentados os resultados da

pesquisa.

4. RESULTADOS

4.1. ACERTO DOS PARÂMETROS

Os resultados apresentados neste tópico foram obtidos no período de acerto

dos parâmetros de usinagem; nesta etapa foram utilizadas 8 brocas. A Figura

60 apresenta um quadro com os parâmetros de usinagem, e o número de furos

executados com cada broca.

FIGURA 60 – QUADRO COM OS PARÂMETROS DE USINAGEM UTILIZADOS EM CADA

BROCA, E O NÚMERO DE FUROS EXECUTADOS.

Estas ferramentas apresentarem pouco desgaste, e foram substituídas após

apresentaram um súbito arredondamento na ponta da broca, em função disso,

estas ferramentas não foram analisadas. A Figura 61 demonstra a extremidade

danificada de uma das ferramentas utilizadas, a broca número “1”.

FIGURA 61 – EXTREMIDADE DANIFICADA DA BROCA NÚMERO “1”.

70

A medição de desgaste na broca número “1” ocorreu após a execução de cada

furo com 5 mm de comprimento. Foram executados 28 furos com velocidade

de corte de 12 m/min., e avanço de 0,91 mm/rot. O desgaste da broca foi

mínimo, então, a velocidade de corte foi ampliada para 25 m/min. (o avanço

não foi alterado). Com esta nova condição, a mesma broca executou mais 12

furos.

Com o mesmo avanço (0,91 mm/rot.), a broca número “2” executou as furações

com a velocidade de corte de 25 m/min., em seguida com 36 m/min. e depois

43 m/min. Estas condições também não proporcionaram um desgaste

relevante, então a velocidade de corte foi aumentada para 52 m/min.; com

estes parâmetros, no total foram executados 19 furos.

A broca número “3” executou a furação com condições de usinagem mais

severas; a velocidade de corte foi ampliada para 62,95 m/min. e o avanço

reduzido para 0,15 mm/rot., visando aumentar o atrito entre a ferramenta e o

material. A profundidade de 15,61 mm do furo passou a ser usinada em um

único passe, e a medição com o Toolsetter começou a ser realizada após a

execução de cada furo. Esta broca apresentou um desgaste relevante, mas

durante o ensaio a ponta da ferramenta foi danificada.

Observando o que ocorreu com a ferramenta anterior, a broca número “4”

trabalhou com a mesma velocidade de corte (62,95 m/min.), porém o avanço

foi reduzido para 0,1 mm/rot.. Nos ensaios onde foram utilizadas as brocas

número “5”, “6” e “7” o avanço não foi alterado, e a velocidade de corte foi

reduzida primeiramente para 56, 52 m/min. e depois 51,97 m/min.. Com estas

condições de usinagem houve um desgaste inexpressivo na broca.

Ao realizar o ensaio com a broca número “8”, a velocidade de corte foi

novamente reduzida, desta vez para 43,17 m/min. e o avanço permaneceu em

0,1 mm/rot.; a pressão na aresta transversal da broca foi reduzida, provocando

maior agressão na aresta de corte. Foi constatado o surgimento de desgastes

nas arestas de corte, então a presente condição de usinagem foi adotada como

71

referência, visando desgastar a broca no menor tempo possível e sem danificá-

la.

4.2. RESULTADOS COM NOVOS PARÂMETROS DE USINAGEM

As condições da broca número “8” (43,17 m/min. e 0,1 mm/rot.) foram repetidas

com a broca número “9”. Desta vez, a broca executou 35 furos. Foi observado

o surgimento de desgaste nos nove pontos medidos na ferramenta; após o

trigésimo quinto furo a broca foi substituída para análise. As variações

dimensionais da broca número “9”, após o trigésimo quinto furo podem ser

observadas no Gráfico 1.

GRÁFICO 1 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “9” APÓS O TRIGÉSIMO QUINTO FURO.

No Gráfico 1 é possível notar que os pontos “E4” e “C5” apresentam um

acréscimo nas dimensões; este fenômeno ocorre com a formação de arestas

postiças de corte e/ou cavacos que podem ficar presos a ferramenta durante a

medição com o LASER. As variações dimensionais negativas presentes no

Gráfico referem-se ao surgimento de desgastes na broca.

As variações dimensionais detectadas na broca número “9”, também foram

analisadas por cada posição, deste modo, é possível observar a evolução das

variações dimensionais ao longo do ensaio. Os Gráficos (2, 3, 4, 5 e 6)

possuíam diversos pontos, então, estas representações gráficas foram geradas

a cada cinco furos, para facilitar a visualização.

72

GRÁFICO 2 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NAS POSIÇÕES “E1” E “D9” DA BROCA NÚMERO “9”.



73


GRÁFICO 6 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS NA POSIÇÃO “5” DA BROCA NÚMERO “9”.

Após o ensaio, a broca foi fotografada em cinco posições distintas. A Figura 62

demonstra as fotos da broca número “9” após o ensaio de furação.

FIGURA 62 – FOTOS DA BROCA NÚMERO “9” APÓS O ENSAIO DE FURAÇÃO.

74

Observando a Figura 84 é possível observar que, a ponta da ferramenta ficou

ligeiramente queimada, sinalizando o desgaste. Também é notável em todos os

ângulos da imagem, o surgimento de arestas postiças de corte, que podem

prejudicar a precisão da medida realizada por meio do Toolsetter.

Para provar a existência de variações dimensionais nos pontos medidos pelo

Toolsetter, a Figura 63 apresenta a medição do desgaste VB na broca número

“9”.

FIGURA 63 – FOTO DA MEDIÇÃO DO DESGASTE VB NA BROCA NÚMERO “9”.

Na Figura 85 demonstra que houve uma variação dimensional nos pontos

medidos pelo LASER. Na broca número “9”, o desgaste VB mais acentuado

ocorreu no ponto “D8” (0,0929 mm); este mesmo ponto medido com o

Toolsetter mensurou uma redução na altura da ferramenta de -0,0150 mm.

O valor medido com o Toolsetter no ponto “C5”; após o trigésimo quinto furo foi

de 133,0010 mm. A mesma distância foi medida com um paquímetro, a

dimensão encontrada foi de 133 mm.

75

No ensaio seguinte, a broca número “10” repetiu as condições da broca

número “9” (velocidade de corte de 43,17 m/min e avanço com 0,1 mm/rot.).

Foram executados 107 furos. As variações dimensionais presentes na broca

número “10” após o centésimo sétimo furo, podem ser visualizadas no Gráfico

7.

GRÁFICO 7 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “10” APÓS O CENTÉSIMO SÉTIMO FURO.

No Gráfico 7 é interessante notar que apesar de repetir as mesmas condições

de usinagem da broca anterior, não houve variações dimensionais nos pontos

“E4”, “C5” e “D6”. O ponto que mais sofreu desgaste foi o “D9”.

Para avaliar a evolução do desgaste da broca número “10” foram elaborados

os Gráficos (8, 9, 10, 11 e 12), que foram gerados a cada dez furos, visando

evitar o acumulo de pontos no Gráfico, e consequentemente facilitar a

visualização.


76





77

Os valores de algumas medições ficam acima da média, quando comparados

às demais medições do ensaio; isto ocorre devido à aderência de cavacos na

ferramenta. Por exemplo, no Gráfico 12, o “Furo 3” havia um de resíduo preso

na broca durante a medição com o Toolsetter. A Figura 64 exibe as fotos da

broca número “10” após o ensaio de furação.


Para evidenciar a presença de variações dimensionais nos pontos medidos

pelo Toolsetter, a Figura 65 ilustra a medição do desgaste VB na broca número

“10”.


78

A dimensão do ponto “C5” medida com o Toolsetter foi de 133, 0000. A mesma

distância foi mensurada com um paquímetro, o valor achado foi de 132,95 mm.

Visando aumentar o desgaste da ferramenta; no ensaio com a broca número

“11”, a velocidade de corte foi ampliada para 50,24 m/min., e o avanço foi

reduzido para 0,03 mm/rot. Com esta nova condição, a medição por meio do

Toolsetter passou a ser realizada a cada dois furos usinados. Está broca

executou 4 furos. As variações dimensionais da broca número “11” após o

quarto furo, podem ser visualizadas no Gráfico 13.

GRÁFICO 13 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “11” APÓS O QUARTO FURO.

No Gráfico 13 é possível notar que, por meio das novas condições de

usinagem, ocorreu um maior atrito entre a broca e superfície do corpo de

prova, desta forma, foi possível aumentar o desgaste da ferramenta. Na

sequencia seguem os Gráficos (14, 15, 16, 17 e 18) que as variações

dimensionais por posição da broca número “11”.


79




80


A Figura 66 exibe as fotos da broca número “11”; depois de sua utilização no

ensaio de furação.


Na Figura 66 é possível observar o surgimento de crateras e um desgaste

expressivo na quina da ferramenta.

A Figura 67 apresenta a medição do desgaste VB na broca número “11”.

81


O valor medido com o Toolsetter no ponto “C5”; após o quarto furo foi de

133,0000 mm. A mesma distância foi medida com um paquímetro, a dimensão

encontrada foi de 132,95 mm.

Com o objetivo de aumentar o desgaste no ensaio com a broca número “12”, a

velocidade de corte foi ampliada para 53,38 m/min. O avanço não foi alterado

(0,03 mm/rot.). Foram executados 10 furos. As variações dimensionais da

broca número “12” após o décimo furo estão representadas no Gráfico 19.

GRÁFICO 19 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “12” APÓS O DÉCIMO FURO.

82

No Gráfico 19 é possível observar que, o aumento da velocidade de corte

ampliou o desgaste da broca. Os Gráficos (20, 21, 22, 23 e 24) apresentam as

variações dimensionais por posição da broca número “12”.




83



A Figura 68 demonstra as fotos da broca número “12”; após seu emprego no

ensaio de furação.


84

Na Figura 69 é possível observar a medição do desgaste VB na broca número

“12”.


A distância referente ao ponto “C5” foi medida com o Toolsetter, e com

paquímetro; em ambos os métodos, a dimensão observada foi de 133,00 mm.

A broca número “13” repetiu as condições de usinagem da broca número “12”.

(velocidade de corte de 53,38 m/min. e avanço com 0,03 mm/rot.) Foram

executados 4 furos. As variações dimensionais da broca número “13” após a

usinagem do quarto furo, estão representadas no Gráfico 25.

GRÁFICO 25 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “13” APÓS O QUARTO FURO.

85

Os Gráficos (26, 27, 28, 29 e 30) demonstram as variações dimensionais por

posição da broca número “13”.




86



A Figura 70 exibe as fotos da broca número “13” após o ensaio de furação.


87

A Figura 71 ilustra a medição do desgaste VB na broca número “13”.


A medição do ponto “C5” medida com o Toolsetter após o quarto furo foi de

133, 0000 mm. A mesma distância foi mensurada com um paquímetro; o valor

encontrado foi de 132, 48 mm.

Com as mesmas condições de usinagem (velocidade de corte 53,38 m/min. e

avanço de 0,03 mm/rot.), a broca número “14” executou 12 furos. As variações

dimensionais da broca número “14” após o décimo segundo furo, estão

representadas no Gráfico 31.

GRÁFICO 31 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “14” APÓS O DÉCIMO SEGUNDO FURO.

88

Os Gráficos (32, 33, 34, 35 e 36) representam as variações dimensionais por





89



Na Figura 72 é possível observar as fotos da broca número “14”; após o ensaio

de furação.


90

A formação de arestas postiças de corte dificultou a medição do desgaste VB.

A Figura 73 apresenta a medição do desgaste VB na broca número “14”.


A medição do ponto “C5” medida com o Toolsetter, após o décimo segundo

furo foi de 132, 0999 mm. A mesma distância foi medida com um paquímetro; o

valor encontrado foi de 132, 09 mm.

A broca número “15” repetiu os parâmetros utilizados no ensaio anterior

(velocidade de corte 53,38 m/min. e avanço de 0,03 mm/rot.); desta vez, foram

executados 5 furos. As variações dimensionais da broca número “15” após o

quinto furo, podem ser analisadas no Gráfico 37.

GRÁFICO 37 – VARIAÇÕES DIMENSIONAIS DA BROCA NÚMERO “15” APÓS O QUINTO FURO.

91

Os Gráficos (38, 39, 40, 41 e 42) apresentam as variações dimensionais por





92



A Figura 74 evidencia as fotos da broca número “15”, após o ensaio de furação.


93

A Figura 75 exibe a medição do desgaste VB na broca número “15”.


O valor da medição do ponto “C5” com o Toolsetter depois o quinto furo foi de

133, 0000 mm. A mesma distância foi mensurada com um paquímetro; o valor

encontrado foi de 132, 57 mm.

5. CONCLUSÕES

De acordo com o que foi realizado neste trabalho, especificamente sobre a

medição do desgaste de brocas helicoidais de aço rápido com auxílio um

dispositivo a LASER, é possível concluir que:

o objetivo geral proposto por este trabalho foi concretizado, ou seja, o

desgaste das brocas de aço rápido foi medido por meio do Toolsetter a

LASER;

os objetivos específicos também foram alcançados: os ensaios de

furação, para medir o desgaste das brocas por meio Toolsetter foram

realizados; as brocas utilizadas nos ensaios foram fotografadas e

analisadas;

foi verificado que o dispositivo de medição a LASER tem aplicação

eficaz na medição dimensional das brocas helicoidais de aço rápido. A

técnica utilizada na medição é promissora e pode ser aplicada em

ambiente industrial com sucesso;

não foi possível comparar de forma direta, os valores mensurados por

meio do Toolsetter, com os valores medidos por meio da analise de

imagens, afinal, o LASER mensura a diferença no comprimento da

ferramenta, enquanto a medição por analise de imagens mensura a

variação no desgaste médio no flanco da broca;

as medições feitas com auxílio do Toolsetter, indicaram a oscilação das

dimensões da broca. Em determinados momentos as medidas

aumentaram, fato que se deve ao fenômeno da aderência na aresta de

corte da ferramenta. A redução dimensional apontada pelo sistema está

relacionada ao desgaste da broca;

95

por meio da medição com o Toolsetter nos nove pontos da extremidade

da broca, foi possível constatar que durante a usinagem, as arestas das

ferramentas não se desgastaram de forma simétrica, pois, cada um dos

pontos medidos apresentou uma valor de desgaste diferente; fato que

pôde ser comprovado pelo método de análise de imagens.

5.1. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

As sugestões para trabalhos futuros são:

estudo sobre a medição de desgaste em ferramentas de torneamento e

fresamento;

melhor análise do efeito da aresta postiça de corte durante a medição

com o dispositivo LASER;

criação de um novo software para coleta de dados, com interface gráfica

amigável e recursos que facilitem a interpretação das informações. Se

possível, aplicando-se técnicas de inteligência artificial para auxiliar na

predição do momento de troca da ferramenta.

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120

APÊNDICE

APÊNDICE A – DESENHO DO CORPO DE PROVA UTILIZADO NO PRÉ-TESTE.

121

APÊNDICE B – DESENHO DO CORPO DE PROVA UTILIZADO NOS ENSAIOS DE

FURAÇÃO.

122

APÊNDICE C – DESENHO COMPLETO DO DISPOSITIVO PARA FIXAÇÃO DE BROCAS

HELICOIDAIS.

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