PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Dario Geraldo Rodrigues
ANÁLISE COMPARATIVA DA FORMAÇÃO DE ROSCAS INTERNAS
POR CORTE E LAMINAÇÃO
São João del-Rei, março de 2015
Dario Geraldo Rodrigues
ANÁLISE COMPARATIVA DA FORMAÇÃO DE ROSCAS INTERNAS
POR CORTE E LAMINAÇÃO
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da
Universidade Federal de São João del-Rei como
requisito para obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica.
Área de Concentração: Materiais e Processos de
Fabricação
Orientador: Prof. Doutor Frederico Ozanan Neves
São João del-Rei, março de 2015
Ficha Catalográfica
Dedico este trabalho à minha esposa Ludmila, ao meu filho Dante e à minha família.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, por iluminar meus caminhos e estar junto a mim neste
trabalho, proporcionando desenvolver com serenidade estudos técnicos e me
especializar neste conteúdo.
Agradeço ao professor Doutor Frederico Ozanan Neves, meu orientador, que
nestes anos na Universidade pôde me auxiliar no desenvolvimento do artigo
científico e desta dissertação. Suas análises, acompanhamento e comprometimento
nos testes experimentais foram primordiais para a evolução deste trabalho.
Agradeço também ao professor Doutor Durval Uchoas Braga, pelos
ensinamentos e conhecimento técnico no período acadêmico.
Ressalto minhas considerações ao Mateus Andrade, Wesley Guimarães e
Camilo Santos, que me auxiliaram nos dados técnicos e experimentais.
Agradeço também à minha esposa Ludmila Ramalho, que sempre esteve ao
meu lado e me apoiou no desenvolvimento e conclusão deste trabalho acadêmico.
RESUMO
RODRIGUES, D. G. Análise Comparativa da Formação de Roscas Internas por
Corte e Laminação. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de São João
del-Rei. São João del-Rei, 2015.
O roscamento é um processo de formação do perfil de rosca com variados métodos
de aplicações no ramo industrial, com intuito de atender à montagem de conexões.
As roscas são desenvolvidas a partir do tipo de componente a ser fabricado e
também para se adequarem às especificações de qualidade, segurança,
produtividade e baixo custo de produção. Esta pesquisa abordou a fabricação de
rosca pelos processos de corte e laminação, tendo como objetivo avaliar
comparativamente os esforços mecânicos relativos ao roscamento: momento torçor,
força axial e força de tração nos diferentes métodos. Conforme literatura, a
laminação apresenta melhor qualidade no que se refere ao acabamento superficial,
maior resistência e processo sem a formação de cavaco, devido à conformação do
material. Como variáveis, foram avaliadas as amostras em três níveis de velocidade
de corte e em três percentuais de concentração de fluido lubrificante. O material
estudado foi o aço ABNT 1035 com a especificação da rosca M14x1.5. Para
comparação dos processos, utilizou-se o método estatístico análise de variância
(ANOVA). Os resultados demonstraram que a laminação apresentou maior torque e
força axial em comparação ao corte. Porém, com relação à força de tração, os
estudos comparativos mostraram que o processo por corte obteve índices maiores.
Palavras-chave: Roscamento Interno, Processo de Corte, Processo de Laminação,
Microdureza, Esforços Mecânicos.
ABSTRACT
RODRIGUES, D. G. Comparative Analysis of Forming Internal Threads for
Cutting and Lamination. Master’s Thesis. Universidade Federal de São João del-
Rei. São João del-Rei, 2015.
Threading is a machining process of thread profile formation with several applications
in the industrial sector in order to attend the mounting of connections. The threads
are designed from the type of component to be manufactured and also to adequate
to quality specifications, safety, productivity and low cost of production. This research
was about to the manufacturing of thread by the cutting and forming processes,
aiming to evaluate comparatively the mechanical efforts related to threading: torsion
moment, axial force and tensile force in different methods. According to literature, the
forming shows better quality regarding the surface finish and greater resistance and
process without the formation of splinter due to the bulk forming of the material. As
variables, the samples were evaluated in three levels of cutting speed and in three
percentage of concentration of lubricating fluid. The studied material was the ABNT
1035 steel with the thread specification M14x1.5. The statistical method Analysis Of
Variance (ANOVA) was used to compare the processes. The results show that the
Forming process presented higher torque and axial force compared to cutting.
However, regarding the traction force, the comparative studies showed that the
cutting process had higher indices.
Key words: Internal Threading, Cutting Process, Forming Process, Microhardness,
Mechanical Stress.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Gráfico ciclo de tratamento do recozimento pleno em resfriamento
contínuo da Normalização e Têmpera 05
Figura 2.2 – Perfil rosca métrica ABNT 1988 06
Figura 2.3 – Tipos de Rosca – Perfil de filete 08
Figura 2.4 – Nomenclatura rosca métrica triangular e whitworth 09
Figura 2.5 – Tolerâncias roscas métricas interna e externa 11
Figura 2.6 – Aplicações dos processos de fabricação de rosca por usinagem,
modelagem e laminação 12
Figura 2.7 (A) – Ferramentas de roscar e pastilhas. (B) – Ferramentas plana e
circular. Ferramentas para rosca direita e esquerda 14
Figura 2.8 – Roscamento por torneamentos interno e externo 14
Figura 2.9 – Roscamento por torneamento em direção à fixação 15
Figura 2.10 – Roscamento por torneamento a partir da fixação 15
Figura 2.11 – Tipos de penetração da pastilha no processo de usinagem 17
Figura 2.12 – Aplicações processo fresamento 18
Figura 2.13 – Etapas do Processo de Fresamento interno 19
Figura 2.14 – Etapas do processo de fresamento interno por thrilling 20
Figura 2.15 – Movimento circular da ferramenta nos fresamentos interno e externo
21
Figura 2.16 – Aplicações de entrada da ferramenta no fresamento interno 22
Figura 2.17 – Macho de corte com canal helicoidal 23
Figura 2.18 – Descrições ferramenta macho de corte 24
Figura 2.19 – Tipos de canais reto e helicoidal da ferramenta macho de corte 25
Figura 2.20 – Nomenclatura ferramenta macho laminador 26
Figura 2.21 – Ferramenta macho laminador 27
Figura 2.22 – Perfil rosca laminada – modificado 28
Figura 2.23 – Divisão na crista – perfil rosca laminada 28
Figura 2.24 – Forma poligonal – macho laminador 29
Figura 2.25 – Formas poligonais – macho laminador 30
Figura 2.26 – Formas de reduções de guia – macho laminador 31
Figura 2.27 – Processo de formação do perfil de rosca laminada 32
Figura 2.28 – Laminação de rosca com encosto plano 34
Figura 2.29 – Laminação externa por gravação única 35
Figura 2.30 – Tipos de rolos de laminação externa 36
Figura 2.31 – Laminação cilindro de roscamento (modificado) 37
Figura 2.32 – Força de tração das roscas formadas pelo processo de corte e
laminação 40
Figura 2.33 – Gráfico de Torque (Nm) nas etapas de usinagem, parada e retorno
da ferramenta macho de corte 41
Figura 2.34 – Gráfico do Momento Torçor (Nm) – Relação perfil da ferramenta
com as etapas do processo de roscamento 42
Figura 2.35 – Etapas do torque na formação da rosca – torque de formação,
médio e de atrito 43
Figura 2.36 – Medição de torque – cabeçote fixo e autorreverso 44
Figura 3.1 – Centro Usinagem Doosan 46
Figura 3.2 – Dispositivo de fixação hidráulica para usinagem corpo de prova 47
Figura 3.3 – Broca e macho de corte 48
Figura 3.4 – Conjunto ferramenta macho de corte posicionados no centro de
usinagem vertical 48
Figura 3.5 – Ferramenta broca helicoidal 49
Figura 3.6 – Ferramenta macho laminador 50
Figura 3.7: Projeto corpo de prova – aço ABNT 1035 50
Figura 3.8 – Equipamento durômetro 51
Figura 3.9 – Padrão de calibração 51
Figura 3.10 – Equipamento de usinagem Romi Discovery 560 52
Figura 3.11 (a) – Projeto dispositivo de fixação corpo de prova 53
Figura 3.11 (b) – Dispositivo de fixação do corpo de prova 53
Figura 3.12 – (a) Dinamômetro; (b) Amplificador Carga; (c) Tela Software 55
Figura 3.13 – Equipamento ensaio de tração EMIC 55
Figura 3.14 – Pontos de medição de microdureza no perfil da rosca interna 57
Figura 3.15(A) – Broca helicoidal 57
Figura 3.15(B) – Macho de corte 57
Figura 3.16 – Dispositivo de fixação do corpo de prova 58
Figura 3.17(A) – Broca helicoidal 61
Figura 3.17(B) Ferramenta macho de corte 61
Figura 3.18(A) – Broca helicoidal 61
Figura 3.18(B) Ferramenta macho laminador 61
Figura 3.19 – Dispositivo de fixação com corpo de prova 62
Figura 3.20 – Dispositivo de fixação montado no dinamômetro 62
Figura 3.21(A) – Calibrador Imicro 64
Figura 3.21(B) – Calibrador anel padrão 64
Figura 3.22 – Dispositivo teste de extração 64
Figura 4.1 Análise microdureza produto forjado 66
Figura 4.2 – Análise microdureza – processo de corte (C), laminado (L) e forjado
(F) 69
Figura 4.3 – Perfil de rosca processo de corte 69
Figura 4.4 – Pontos de medição microdureza processo de corte 70
Figura 4.5 – Perfil de rosca processo de laminação 70
Figura 4.6 – Pontos de medição microdureza no processo de laminação 71
Figura 4.7 – Projeto corpo de prova 72
Figura 4.8 – Aquisição de dados de torque – processo de laminação na Vc
17.0m/min. 74
Figura 4.9 – Torque (Nm) para o processo de corte – velocidade e percentual de
fluido 76
Figura 4.10 – Torque (Nm) para o processo de laminação – velocidade e
percentual de fluido 77
Figura 4.11 – Processo de laminação – velocidade de corte nos percentuais de
fluido lubrificante 78
Figura 4.12 – Processo de corte – velocidade de corte nos percentuais de fluido
lubrificante 78
Figura 4.13 – Comparação entre os processos de corte e laminação para
velocidade de corte 17.5 m/min. 79
Figura 4.14 – Comparação entre os processos de corte e laminação para
velocidade de corte 30.0 m/min. 80
Figura 4.15 – Comparação entre os processos de corte e laminação para
velocidade de corte 39.5 m/min. 81
Figura 4.16 – Gráfico boxplot – valores de torque (Nm) para os processos de corte
e laminação 83
Figura 4.17 – Gráfico probabilidade normal (A) e histograma (B) – valores de
torque (Nm) para o processo de corte 84
Figura 4.18 – Gráfico probabilidade normal (A) e histograma (B) – valores de
torque (Nm) para o processo de laminação 84
Figura 4.19 – Valores de torque retorno da ferramenta de roscar. comparação
entre os processos de corte e laminação 86
Figura 4.20 – Força axial máxima (N) – comparativo entre os processos de corte e
laminação 87
Figura 4.21 – Gráfico boxplot – valores de força axial (N) para os processos de
corte e laminação 89
Figura 4.22 – Gráfico probabilidade normal (A) e histograma (B) – valores força
axial (N) para os processos de corte e laminação 90
Figura 4.23 – Gráfico boxplot – valores de tração (KN) para os processos de corte
e laminação 93
Figura 4.24 – Análise comparativa da força de tração entre os processos de corte
e laminação 93
Figura 4.25 – Gráfico probabilidade normal (A) e histograma (B) – valores força de
tração (KN) para os processos de corte e de laminação 94
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Composição química do Aço ABNT 1035 04
Tabela 2.2 – Classes de materiais ferramentas de usinagem 16
Tabela 3.1 – Identificação dos corpos de prova para o segundo experimento 60
Tabela 3.2 – Aleatoriedade dos corpos de prova para o processo de corte 63
Tabela 3.3 – Aleatoriedade dos corpos de prova para o processo de laminação 63
Tabela 4.1 – Resultados microdurezas produto forjado 66
Tabela 4.2 – Resultados das microdurezas do experimento 67
Tabela 4.3 – Cálculo das médias das microdurezas por ponto de medição 67
Tabela 4.4 – Análise variância – Microdureza 67
Tabela 4.5 – Teste de contraste dos processos – Microdureza 68
Tabela 4.6 – Variação diâmetro interno pré-furo processo por corte e laminação 71
Tabela 4.7 – Diâmetro interno do pré-furo por amostra 73
Tabela 4.8 – Momento Torçor (Mz) – Processo de corte 75
Tabela 4.9 – Momento Torçor (Mz) – Processo de laminação 75
Tabela 4.10 – Análise variância – momento torçor – processo de corte 82
Tabela 4.11 – Análise variância – momento torçor – processo de laminação 83
Tabela 4.12 – Análise Variância, momento torçor – comparação processos de
corte e laminação 85
Tabela 4.13 – Teste de contraste – momento torçor – processos de corte e
laminação 85
Tabela 4.14 – Análise variância – força axial – processo de corte 88
Tabela 4.15 – Análise variância – força axial – processo laminação 88
Tabela 4.16 – Teste de Contraste das velocidades e fluidos – força axial –
processo de laminação 89
Tabela 4.17 – Análise variância – força axial – comparação processos de corte e
laminação 90
Tabela 4.18 – Teste de contraste – força axial – processos de corte e de
laminação 91
Tabela 4.19 – Análise variância – força de tração – processo de corte 92
Tabela 4.20 – Análise variância – força de tração – processo de laminação 92
Tabela 4.21 – Análise variância – força de tração – processos de corte e de
laminação 95
Tabela 4.22 – Teste de contraste – força tração – processos de corte e de
laminação 95
Tabela 4.23 – Análise microdureza – amostras – processos de corte e de
laminação 96
FÓRMULAS
Equação 2.1 – Diâmetro dos flancos do parafuso (D2) 07
Equação 2.2 – Diâmetro dos flancos da porca (d2) 07
Equação 2.3 – Diâmetro menor do parafuso (D1) 07
Equação 2.4 – Diâmetro menor da porca (d1) 07
Equação 3.1 – Passo da Rosca no Processo de Laminação 49
Equação 3.2 – Velocidade de corte 60
NOMENCLATURAS
Abreviaturas
CBN Nitreto de Boro Cúbico
Co Cobalto
CP Corpo de Prova
CQ Controle de Qualidade
Fe-C Ferro-Carbono
FoFo Ferro Fundido
G.L. Grau de Liberdade
HB Dureza Brinell
HSS High Speed Steel – Aço rápido
IT Índice de Tolerância (ISO Tolerance)
MD Metal Duro
MPa Mega Pascoal
MQL Mínima Quantidade de Lubrificante
MSS Médias dos Quadrados
PNP Calibrador por atributo passa não passa
SSA Somatório dos Quadrados dos Processos
SSB Somatório dos Quadrados dos Fluidos
SSC Somatório dos Quadrados das Velocidades
SSAB Somatório dos Quadrados Interação Processos e Fluidos
SSABC Somatório dos Quadrados Interação Processos, Fluidos e Velocidade
SSAC Somatório dos Quadrados Interação Processos e Velocidade
SSErro Somatório dos Quadrados dos Erros
SST Somatório dos Quadrados Total
TCMT Especificação pastilha de usinagem
((Ti,Al)N) Nitreto de Alumínio Titânio
TIC Carboneto de Titânio
(Ti(C,N)) Carbonitreto de Titânio
TiN Nitreto de Titânio
WC Carboneto Tungstênio
Siglas
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABNT 1035 Norma Técnica do aço especificação 1035
ANOVA Análise de Variância
ANSI American National Standards Institute
CNC Comando Numérico Computadorizado
DIN Deutches Institut für Normung (Instituto Alemão de Normalização)
ISO International Standard Office
NBR Denominação da Norma ABNT
SAE Society of Automotive Engineers
Letras Latinas
ap Profundidade de Corte [mm]
d Diâmetro produto / ferramenta [mm]
D Diâmetro Nominal da rosca [mm]
D2 Diâmetro Flanco da rosca [mm]
Ø Diâmetro [mm]
DK Diâmetro furo [mm]
f Avanço de corte [mm/rot]
Fz Força Axial [N]
H Altura do Perfil [mm]
h Altura corpo de prova [mm]
Mz Momento torçor [Nm]
n Número de rotações [RPM]
P Passo da rosca [mm]
Vc Velocidade de corte [m/min]
SUMÁRIO
Capítulo 1
Introdução 01
Capítulo 2 – Revisão de Literatura
2.1 Aço ABNT 1035 04
2.2 Processo Roscamento 06
2.2.1 Tipos de Rosca 08
2.2.2 Campos de Tolerâncias 10
2.3 Processos de Fabricação de Rosca 11
2.3.1 Roscamento por Torneamento 12
2.3.2 Roscamento por Fresamento 17
2.3.3 Roscamento por Macho de Corte 22
2.3.4 Roscamento por Macho Laminador 26
2.3.5 Roscamento por Laminação – Processo Externo 33
2.3.5.1 Laminação Externa por Duas Placas 33
2.3.5.2 Laminação Gravação Única 34
2.3.5.3 Laminação Cilindro de Roscamento 37
2.4 Fluido Lubrificante 38
2.5 Esforços Mecânicos 39
Capítulo 3 – Materiais e Métodos
3.1 Recursos e Materiais 45
3.1.1 Primeira Fase: Análise Microdureza 45
3.1.1.1 Máquina Operatriz e Dispositivos 45
3.1.1.2 Ferramentas Processo de Roscamento 47
3.1.1.3 Material Aço ABNT – Corpo de Prova 50
3.1.1.4 Equipamentos de Teste – Análise Microdureza 51
3.1.2 Segunda Fase: Análise Esforços Mecânicos 52
3.1.2.1 Máquina Operatriz e Dispositivos 52
3.1.2.2 Ferramentas Processo de Roscamento 53
3.1.2.3 Material Aço ABNT – Corpo de Prova 54
3.1.2.4 Equipamentos de Teste – Esforços Mecânicos 54
3.2 Planejamento dos Experimentos 56
3.2.1 Primeira Fase – Experimento Microdureza 56
3.2.2 Segunda Fase – Análise Esforços Mecânicos 58
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
4.1 Análise do Experimento – Microdureza 66
4.2 Análise do Experimento – Esforços Mecânicos 71
4.2.1 Momento Torçor (Mz) 74
4.2.2 Força Axial (Fz) 87
4.2.3 Força de Tração (KN) 91
Capítulo 5
Conclusão 98
Sugestão trabalhos futuros 100
Referências 102
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
O roscamento é um processo de transformação da matéria-prima, podendo
sua fabricação ser realizada por usinagem, por conformação ou por processo de
modelagem. A aplicação de cada método está relacionada ao produto a ser
manufaturado, atendendo ao perfil projetado e utilizando as ferramentas necessárias
para cada modelo de material.
O processo por corte ocorre com a retirada de material pelas ferramentas de
usinagem, modificando o produto e gerando o acabamento final desejado. A
conformação mecânica ou laminação estabelece o deslocamento de material até a
formação do produto com perfil acabado por meio da deformação plástica. Já o
processo de modelagem é realizado por meio de moldes predefinidos e com
aplicação da matéria-prima, determinando a formação do produto final. Nesse caso,
podem ser citados os métodos de injeção e sopro.
Atualmente, devido à competitividade e à evolução técnica nos métodos de
fabricação e das ferramentas aplicadas na geração das roscas, as empresas
buscam desenvolver processos mais robustos, eficazes, com capabilidade e com
melhor relação custo x benefício. Sendo assim, são relevantes e pertinentes estudos
sobre as características dos processos de fabricação de roscas e suas
especificidades.
Este trabalho visa a analisar o comportamento dos esforços mecânicos na
formação da rosca interna, comparando os processos de usinagem e de
conformação mecânica no material aço ABNT 1035. Para a formação da rosca,
foram estabelecidas escalas para os parâmetros de velocidade de corte e percentual
de fluido lubrificante com objetivo de verificar suas influências nos resultados do
momento torçor, força axial e força de tração ou cisalhamento.
Nos estudos apresentados neste trabalho, recomenda-se utilizar a
conformação na formação de roscas internas pelas vantagens na não formação de
cavaco, pela maior vida da ferramenta com menor desgaste e pela maior resistência
2
do perfil laminado. Com isso, a pesquisa busca comprovar que o processo de
fabricação de rosca por laminação possui parâmetros e características de maior
robustez, agregando maior qualidade ao produto final.
Esta pesquisa está dividida em cinco capítulos, os quais serão abordados
com os seguintes tópicos:
Capítulo 1 – Introdução: Informações sobre o tema estudado com objetivos e
estrutura do trabalho.
Capítulo 2 – Revisão de Literatura: informações técnicas e características do
material aço ABNT 1035. Quanto ao roscamento, serão citados os processos de
fabricação por torneamento, fresamento, macho de corte, macho de laminação e
laminação externa.
Capítulo 3 – Materiais e Métodos: abrange os recursos utilizados nesta
pesquisa e o planejamento dos experimentos.
Capítulo 4 – Resultados e Discussões: descreve a coleta de dados e
apresenta as análises estatísticas quanto à microdureza, momento torçor, força axial
e força de tração com relação aos experimentos realizados.
Capítulo 5 – Conclusão: analisa os resultados encontrados e apresenta
propostas para desenvolvimento de futuros trabalhos.
3
4
CAPÍTULO 2
REVISÃO DE LITERATURA
De acordo com os processos de fabricação de rosca, será conceituada a
norma técnica do roscamento e citados os métodos de torneamento, fresamento,
macho de corte, macho laminador ou conformação e por laminação externa. Serão
também abordados a especificação técnica do material utilizado neste experimento,
os tipos de fluido lubrificante e os esforços mecânicos gerados na formação do perfil
de rosca.
2.1 Aço ABNT 1035
O material abordado neste projeto é o aço de médio teor de carbono para o
processo de forjamento a quente. Conforme os requisitos da norma SAE J403:2001,
máximo aplicado na estrutura de 1,0%, é considerada a seguinte composição
química (Tabela 2.1):
Tabela 2.1 – Composição química do Aço ABNT 1035
Carbono Manganês Fósforo Enxofre
0,32 – 0,38% 0,60 – 0,90% 0,030% Máx 0,050% Máx
Fonte: Arcelor Mital (2013).
Na etapa de preparação do material, é realizado o processo de normalização,
que favorece a ductilidade sem a perda significativa da resistência à tração. De
acordo com Grefortec (2013, online), é o:
Tratamento térmico que consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona crítica, seguido de resfriamento ao ar. O objetivo da normalização é refinar a granulação grosseira de peças
5
de aço fundido, laminado ou forjado. A normalização é ainda usada como tratamento preliminar à têmpera e ao revenido, justamente para produzir uma estrutura mais uniforme do que a obtida na laminação, por exemplo, além de reduzir a tendência ao empenamento e facilitar a solução de carbonetos e elementos de liga.
A preparação do material é relevante para garantir que as especificações
recomendadas sejam atendidas, contribuindo para a qualidade de fabricação do
produto. Na Figura 2.1, pode-se observar as etapas de aquecimento e a curva de
resfriamento pelo processo de Normalização.
Figura 2.1 – Gráfico ciclo de tratamento do recozimento pleno em resfriamento contínuo da Normalização e Têmpera
Fonte: Bolteri (2013).
Conforme especificação do processo de normalização, o material é aquecido
e possui o resfriamento mais acelerado do que o processo de recozimento. No
resfriamento, produzirá grãos de perlita e de ferrita, com objetivo de diminuir a
granulação grosseira da peça e de forma homogênea (SENAI, 2004).
6
2.2 Processo Roscamento
Conforme Stemmer (1992 apud MOTA, 2006, p. 6), “A terminologia e os
símbolos usados em roscas são definidos pela ABNT (Associação Brasileira de
Normas Técnicas), através da NBR 5876 – Terminologia e Simbologia de Roscas, a
qual segue em linhas gerais as normas ISO, DIN, ANSI”. A rosca pode ser definida
por uma superfície composta, gerada por um ou mais perfis, quando todos os seus
pontos descrevem hélices ou espirais cônicas coaxiais e de mesmo passo. Elas
podem ser consideradas de forma interna ou externa a uma peça.
De acordo com Cardoso (2012), o perfil de uma rosca é considerado
conforme a Figura 2.2, sendo classificado por diâmetro externo da porca (d),
diâmetro do parafuso (D), diâmetro menor da porca (d1), diâmetro menor do
parafuso (D1), diâmetros dos flancos da porca (d2), diâmetro dos flancos do parafuso
(D2), passo da rosca (P) e ângulo de flancos (α).
Figura 2.2 – Perfil rosca métrica ABNT 1988
Fonte: Cardoso (2012).
Conforme a Norma Brasileira ABNT NBR ISO 724 (2004), são calculados os
valores de D2 (diâmetro dos flancos do parafuso), d2 (diâmetro dos flancos da porca),
D1 (diâmetro menor do parafuso) e d1 (diâmetro menor da porca), conforme as
Equações 2.1, 2.2, 2.3 e 2.4:
7
[2.1]
[2.2]
[2.3]
[2.4]
Para Ribeiro, Peres e Isidoro (2013, p. 101), “rosca é um filete de perfil
constante enrolado, formando uma hélice, em torno de uma superfície cilíndrica. [...].
O avanço obtido em cada giro de 360º é chamado de passo da rosca, transformando
o momento circular em movimento retilíneo”.
Na fabricação de rosca por usinagem, conforme Black e Payton (2004), o
torneamento é o processo mais utilizado, sendo rosca interna ou externa, utilizando
ferramentas de única ou múltipla aresta. Os equipamentos relacionados a essa
operação podem ser tornos convencionais ou automáticos CNC.
Segundo Bretas (2009), as roscas são caracterizadas para processos de
fixação que determinam transmissão de movimentos. Seus objetivos referem-se
para prender dois ou mais elementos entre si, como porcas, parafusos, hastes
roscadas, acoplamentos e transmissão de movimentos, dentre outras aplicações
industriais.
Conforme Badami, Hege e Patterson (2003), as roscas são produzidas pelos
dois processos: de corte e de conformação. No processo de corte, são utilizadas as
ferramentas de uma ou mais arestas e, no processo de conformação, ferramentas
planas ou rolos laminadores com equipamentos automáticos específicos.
Considera-se que o processo de roscamento por usinagem torna-se
específico diante da complexidade de sua fabricação devido à necessidade da
remoção de cavaco e da lubrificação na região de formação dos filetes de rosca. O
processo de laminação requer também o controle de dimensão do pré-furo, o perfil
de laminação e a lubrificação interna para a fabricação da rosca.
8
2.2.1 Tipos de rosca
De acordo com Gordo e Ferreira (2000 apud MACIEL, 2013), as seções
uniformes dos filetes de rosca são destinadas para uma variabilidade de aplicações,
conforme as necessidades de cada processo. Os filetes, por sua vez, definem a
geometria de um segmento, ângulo perfil de rosca, passo e ângulo da hélice.
Conforme Maciel (2013), os filetes de roscas podem ser confeccionados na direção
direita ou esquerda, com aperto sentido horário à direita e à esquerda o anti-horário.
Na Figura 2.3, verificam-se os tipos de rosca e suas aplicações com descrição
técnica.
Figura 2.3 – Tipos de Rosca – Perfil de filete
Fonte: Gordo e Ferreira (2000 apud MACIEL, 2013).
9
Diante das especificações apresentadas na Figura 2.3, verifica-se que o
modelo do perfil de rosca está diretamente relacionado à sua aplicação e
funcionalidade. A seleção irregular do tipo de rosca pode ocasionar desgastes
prematuros em seu perfil e cisalhamento devido a esforços excessivos.
Dentre as nomenclaturas especificadas para os tipos de roscas, considera-se
que, para a rosca interna (porca) e para a rosca externa (parafuso), são
estabelecidas as mesmas especificações (CARMÉLIO, 2006). A Figura 2.4 descreve
as nomenclaturas para cada característica do perfil de rosca.
Figura 2.4 – Nomenclatura rosca métrica triangular e whitworth
Fonte: Adaptado de Carmélio (2006).
10
Na Figura 2.4, observam-se as nomenclaturas relacionadas à rosca métrica
triangular e à da rosca Whitworth. Para os dois tipos de roscas, existem a
similaridade entre as especificações dos diâmetros, a medição do passo e os
diferentes ângulos relacionados ao perfil da rosca.
De acordo com Barrios et al. (2011), a fabricação do perfil de rosca atende às
normas europeia e americana, que estabelecem suas características, dimensionais e
tolerâncias:
Normalização europeia M 10 – rosca métrica de 10 mm de diâmetro nominal, passo normal – se externa, tornear com diâmetro nominal e, se interna, furar seguindo indicações de tabelas de fabricantes de machos, observando se a rosca será feita com macho convencional ou com macho para prensar ou esmagar; M 10×1 – rosca métrica fina de 10 mm de diâmetro nominal e com 1 mm de passo; Tr 48×8 – rosca trapezoidal métrica de 30° com 48 mm de diâmetro nominal e 8 mm de passo; Tr 48×16-2E – rosca trapezoidal métrica, com 48 mm de diâmetro nominal, 16 mm de passo da rosca e de duas entradas à esquerda. Normalização americana 3/8” – 16 UNC-2 – rosca norte-americana grossa, diâmetro nominal de 3/8” com 16 fios por polegada (passo em mm é 25,4/16), da classe 2 de ajustagem; 1/4” – 20 BSW – rosca sistema Whitworth grossa, com 1/4” de diâmetro nominal e 20 fios por polegada (passo em mm é 25,4/20) (BARRIOS et al., 2011, p. 242).
Após as citações das normas europeia e americana do perfil de rosca, serão
abordadas no próximo tópico as especificações de ajuste e tolerâncias.
2.2.2 Campos de Tolerâncias
Nos campos de tolerância utilizados para as especificações de rosca, de
acordo com a Organização Internacional para Padronização (International
Organization for Standardization – ISO), referem-se para o furo (rosca interna) as
letras maiúsculas e para os eixos (rosca externa) as letras minúsculas. Essa
condição é seguida pela numeração que determina a qualidade do ajuste (IT01, IT0,
IT1, a IT16) (RIBEIRO et al., 2013).
Para Andrade (2014), os ajustes das roscas externas são discriminados pelos
8g, 6g e 4h e das roscas internas pelos 7H, 6H e 5H. Dentro dos tipos de tolerâncias
e nomenclatura, define-se como ajuste fino as especificações entre 5H com 4h,
11
ajuste médio entre 6H e 6g e ajuste grosseiro entre as roscas 7H e 8g. A Figura 2.5
ilustra as tolerâncias relacionadas às roscas interna e externa.
Figura 2.5 – Tolerâncias roscas métricas interna e externa
Fonte: adaptado da NBR ISO 965-1 (2004 apud ANDRADE, 2014).
Identifica-se na Figura 2.5 o campo de trabalho das especificações (H/h) e
(G/g) usualmente utilizadas para as roscas interna e externa em relação à linha base.
2.3 Processos de Fabricação de Rosca
Com relação à formação do perfil de rosca interno ou externo, podem ser
citados alguns processos que trabalham com a retirada de material como o
torneamento, fresamento ou por macho de corte, como também pode-se formar o
perfil de rosca pelos processos de injeção, sopro ou conformação por macho
laminador.
A respeito da definição do processo de fabricação, avaliam-se a especificação
técnica necessária para sua formação, os equipamentos convencionais ou
automáticos e o método com maior produtividade e qualidade.
Na Figura 2.6, verificam-se os métodos de usinagem, modelagem e por
conformação para a fabricação do perfil de rosca.
12
Figura 2.6 – Aplicações dos processos de fabricação de rosca por usinagem, modelagem e laminação
Fonte: adaptado de Sandvik (2010).
Conforme Souza (2011), o processo de roscamento é realizado por aberturas
de filetes e por abertura de sulcos helicoidais com passo uniforme em superfícies
cilíndricas ou cônicas de revolução. Para esse processo, a peça ou ferramenta entra
em rotação e uma delas se desloca segundo uma trajetória retilínea paralela ou
inclinada ao eixo de rotação.
A usinagem ou corte consiste no método de retirada de material. Nesse caso,
tem-se o processo de torneamento, que é caracterizado pelo movimento retilíneo da
ferramenta. No fresamento, o movimento é helicoidal e o processo por macho de
corte é realizado por movimento descendente. Nas seções seguintes, esses
processos serão abordados mais detalhadamente.
2.3.1 Roscamento por Torneamento
A fabricação de rosca pelo processo de torneamento pode ser realizada pela
ferramenta de simples ou múltiplas arestas. Considera-se também a prática da
ferramenta com cabeçotes automáticos com pentes, tangenciais radiais ou circulares
(STOETERAU, SCHROETER, WEINGAERTNER, 2004). Sua aplicação no mercado
13
é em grande escala devido à flexibilidade para fabricação de produtos e ajustes
dimensionais.
Os equipamentos relacionados para o torneamento são considerados em sua
evolução tornos universais, revólver, copiador, automático convencional e
automático CNC. A evolução dos equipamentos de usinagem refere-se à inovação
tecnológica que busca desenvolvimento progressivo de meios e recursos para
atender à necessidade de seus consumidores no intuito de aumentar a
competitividade no mercado industrial (BARRIOS et al., 2011).
Na perspectiva de Carvalho et al. (2012), as pastilhas podem ser de única ou
múltiplas arestas, atendendo às especificações do produto e processo. As pastilhas
de simples arestas proporcionam o modelo de aplicação para diferentes tipos de
roscas e passos, enquanto as pastilhas de multiarestas determinam passos
específicos e aplicados para processos com alta produtividade. Para a seleção da
melhor ferramenta, deve-se analisar a viabilidade e a flexibilidade de que o processo
possa necessitar. A utilização de pastilha múltipla proporciona alta produtividade por
abranger dois ou mais perfis de rosca. Porém, devido à particularidade e por ser em
classe especial, a ferramenta mantém um custo maior em comparação com a
pastilha de única aresta.
Nas Figuras 2.7 (A) e (B), podem ser visualizados os modelos de insertos
aplicados para os processos internos e externos e os perfis das pastilhas simples e
multiarestas.
14
Figura 2.7 (A) – Ferramentas de roscar e pastilhas. (B) – Ferramentas plana e circular. Ferramentas para rosca direita e esquerda
(A) (B)
Fonte: adaptado de Stoeterau et al., (2004).
Na Figura 2.7 (A), constam os tipos de ferramentas e insertos de metal duro
para utilização de roscas interna e externa e, em (B), as ferramentas de torneamento
por pentes ou multiarestas para aplicações específicas.
De acordo com Souza (2011), o roscamento por torneamento é um processo
mecânico de usinagem destinado à fabricação de filetes, por meio de abertura ou
sulcos helicoidais de passo uniforme, em superfície cilíndrica ou cônica de revolução.
Nesse processo, a peça ou a ferramenta gira e uma delas se desloca
simultaneamente segundo uma trajetória retilínea paralela ou inclinada ao eixo de
rotação, podendo ser realizado de formas interna e externa, conforme a Figura 2.8.
Figura 2.8 – Roscamento por torneamentos interno e externo
Fonte: adaptado de Souza (2011).
15
A formação do filete de rosca interno ou externo pode ser referenciada pelo
produto a ser usinado ou por equipamento, sendo: pelo produto, rosca direita e
esquerda, e pelo equipamento, ferramenta à direita ou à esquerda. Para o processo
de roscamento em direção à fixação, consideram-se como vantagens a melhor
estabilidade do processo e os suportes e calços montados que podem ser utilizados
em diferentes operações (SOUZA, 2011).
As Figuras 2.9 e 2.10 ilustram, respectivamente, conforme Secotools (2012),
o roscamento em direção à fixação com a rosca à direita e à esquerda e o
roscamento a partir da fixação do produto, proporcionando também as roscas à
direita e à esquerda.
Nota-se que o processo, a partir da fixação, proporciona que o fluxo de
cavaco seja direcionado corretamente, porém torna-se necessária a fixação exata
das ferramentas para garantir a estabilidade da formação da rosca.
Figura 2.9 – Roscamento por torneamento em direção à fixação
Fonte: Secotools (2012).
Figura 2.10 – Roscamento por torneamento a partir da fixação
Fonte: Secotools (2012).
Outro ponto importante no rendimento e eficácia no processo de usinagem é a
seleção das pastilhas (insertos) quanto à sua composição e estrutura para os
diversificados materiais a serem usinados. Para essa classificação, de acordo com
Klauberg (2009), foi instituída a ISO 513, com o objetivo de regulamentar as classes
16
das pastilhas e garantir melhores eficiência e rentabilidade devido à variabilidade
dos materiais que recebem o processo de roscamento. A Tabela 2.2 identifica as
categorias e as especificações dos materiais.
Tabela 2.2 – Classes de materiais ferramentas de usinagem
P � Aplicação em aços em geral;
M� Aplicação em aços inoxidáveis;
K � Ferros fundidos;
N � Metais não ferrosos;
S � Superligas e ligas resistentes ao calor;
H � Materiais endurecidos.
Fonte: Klauberg, (2009).
Para realizar o processo de fabricação de rosca, determina-se o método de
corte ou o tipo de penetração da pastilha no produto. Para esta seleção, conforme
Sandvik (2010), classificou-se por penetração por flanco modificado (A), penetração
radial (B) e penetração alternada pelos flancos (C). Os tipos de penetrações durante
o processo de usinagem influenciam diretamente o controle do cavaco, a qualidade
do perfil de rosca e a vida da ferramenta.
Na Figura 2.11, pode-se visualizar o sentido de corte e as divisões realizadas
para cada penetração da pastilha.
17
Figura 2.11 – Tipos de penetração da pastilha no processo de usinagem
Fonte: adaptado de Sandvik (2010).
A Figura 2.11 identifica a influência da pastilha no processo de penetração por
flanco modificado, por penetração radial e por penetração alternada pelos flancos.
Após a abordagem dos processos por torneamento, no próximo tópico, será
apresentado o roscamento por fresamento.
2.3.2 Roscamento por Fresamento
Na visão de Araújo et al. (2004 apud BRETAS, 2009), existem formas de
processo para abertura de roscas por fresamento, de acordo com o tipo de
ferramenta a ser aplicado, sendo processo interno ou externo. Na Figura 2.12 (a),
consta a formação de rosca a partir de uma ferramenta por perfil único que realiza
cada passo em movimento de rotação com deslocamento axial, uma ferramenta
pastilha perfil múltipla com somente um lado de corte (b) e uma ferramenta fresa
com perfil helicoidal com múltiplas arestas, onde é gerado um movimento combinado
de rotação da ferramenta (c).
A aplicação e a seleção de cada ferramenta são estabelecidas a partir da área
e região disponíveis de interpolação e do número dos filetes necessários.
18
Figura 2.12 – Aplicações processo de fresamento
Fonte: Araújo et al. (2004 apud BRETAS, 2009).
Conforme Araújo et al. (2004 apud CARVALHO, 2011), o processo de
roscamento torna-se flexível devido à ferramenta utilizada estar apta para determinar
outras especificações de rosca de mesmo passo. Nesse caso, utiliza-se a mesma
ferramenta para fabricação de roscas maiores, sendo analisado o percurso helicoidal
da ferramenta devido às perdas excessivas de movimentação.
O processo de abertura de rosca por fresamento, segundo Cardoso (2012),
possui a técnica denominada thread milling. Nesse processo, a ferramenta macho
fresa realiza a fabricação de rosca em uma superfície com pré-furo, executando
conforme especificado a seguir:
Na etapa (1) a ferramenta é posicionada. Na etapa (2) a ferramenta se desloca para baixo até a posição onde será iniciada a usinagem, enquanto executa um movimento axial, a certa velocidade de avanço, até a profundidade radial de corte selecionada. Em (3) a ferramenta executa um movimento de entrada na peça e na etapa (4) ela percorre uma trajetória helicoidal para cima no furo e para uma volta completa. Na etapa (5) a ferramenta volta para o eixo central do furo, sem deslocamento vertical. Finalmente em (6) a ferramenta desloca na direção vertical (CARDOSO, 2012, p.24).
Na Figura 2.13, estão citadas as etapas de aproximação e usinagem para o
processo de roscamento interno realizado pela ferramenta macho fresa, deslocando-
se sentido anti-horário em relação ao diâmetro do furo interno.
19
Figura 2.13 – Etapas do processo de fresamento interno
Fonte: Cardoso (2012).
Na perspectiva de Lee, Kasten e Nestler (2013), ocorre o movimento de
interpolação helicoidal com a ferramenta no sentido horário ou anti-horário para o
processo de fabricação de rosca interno ou externo. A execução do movimento
helicoidal é realizada junto ao movimento circular no plano de coordenadas x e y
com o movimento simultâneo linear perpendicular ao plano de trabalho.
Em comparação ao processo de roscamento externo, a ferramenta realiza as
seguintes etapas para fabricação da rosca:
1) Posicionamento da ferramenta.
2) Deslocamento vertical da ferramenta, aproximado do pino que será usinado.
3) A ferramenta executa o movimento de entrada na peça com velocidade de corte e
avanço.
4) A ferramenta percorre uma volta completa, realizando a usinagem da rosca.
5) A ferramenta retorna para a posição lateral.
6) A ferramenta desloca-se na vertical para a posição original (LEE et al., 2013).
Visando ao melhor rendimento e à otimização na fabricação de rosca,
Stephenson e Agapiou (1996) e Grzesik (2008 apud CARDOSO, 2012) estudaram o
processo combinado de furação e a abertura da rosca na mesma ferramenta. Esse
procedimento é conhecido por thrilling. Na Figura 2.14, analisam-se as etapas do
processo de furação e fresamento com entrada da ferramenta com movimento
20
descendente executando o furo e o chanfro (a); na próxima etapa, ela realiza o
movimento lateral determinando o raio do furo (b); na etapa (c), a ferramenta se
desloca no sentido helicoidal em torno do eixo, determinando o perfil de rosca. Caso
a profundidade de corte não seja necessária em um passe de rosca, deve-se repetir
a etapa (c), agregando a nova profundidade de corte. Na etapa (d), ocorre o retorno
ao centro do furo; e, finalmente, na etapa (e), desloca-se verticalmente na
ascendente.
Figura 2.14 – Etapas do processo de fresamento interno por thrilling
Fonte: Araújo et al. (2004, apud CARVALHO, 2011)
Segundo Bretas (2009), no processo de thrilling, a ferramenta broca-fresa
possui maior fragilidade estrutural devido às aberturas helicoidais para escoamento
do cavaco gerado na furação. O processo thrilling não é recomendado para
processos com diâmetros menores com comprimentos grandes.
A ferramenta de fresar pode ser utilizada para formação de roscas à direita e
à esquerda e geradas nos processos interno e externo. Esse processo tem
característica bem diversificada por atender a diferentes aplicações de rosca com a
mesma ferramenta, mudando apenas o sentido de corte.
Para o método de usinagem, a interpolação helicoidal deve ser usada para
21
criar o passo e para determinar os sentidos horário e anti-horário, dependendo do
tipo de rosca. No fresamento concordante com hélice à direita, a usinagem é no
percurso ascendente e helicoidal, e para o processo discordante, a ferramenta inicia
no topo e realiza a usinagem helicoidal descendente até a profundidade especificada
(ANDRADE, 2014). Nesse método, considera-se também que o método concordante
estabelece que os movimentos de rotação do macho fresa e de avanço da peça
estão no mesmo sentido. Diante disso, pode-se oferecer maior vida da ferramenta.
Na Figura 2.15, dentro dos processos de rosca interno e externo, identifica-se
a composição dos movimentos, do sentido de corte e do posicionamento da
ferramenta.
Figura 2.15 – Movimento circular da ferramenta no fresamento interno e externo
Fonte: adaptado de Sandvik (2012 apud ANDRADE, 2014).
Na Figura 2.15, de acordo com Andrade (2014), a ferramenta pode realizar o
perfil de rosca em um único passo ou efetuar mais passos até a profundidade
especificada para amenizar os esforços de corte nas arestas de corte.
Dentro do processo de fresamento, Smith (2008 apud. BRETAS, 2009)
estabelece três formas de entrada da ferramenta: entrada linear (a), entrada circular
22
com ¼ de círculo (90 graus) e entrada circular com semicírculo (180 graus). A Figura
2.16 ilustra os métodos de interpolação no processo de fresamento.
Figura 2.16 – Aplicações de entrada da ferramenta no fresamento interno
Fonte: adaptado de Smith (2008 apud BRETAS, 2009).
Para a entrada linear, estabelece-se o processo de corte entre o material e o
diâmetro periférico da ferramenta com maior ângulo de contato. Nesse caso, geram-
se marcas no material na entrada do macho fresa. O segundo método, entrada
circular com ¼ de círculo, é utilizado em processos com divergências no diâmetro de
pré-furo, onde a correção torna-se necessária para o acabamento da rosca. No
terceiro método de entrada circular com semicírculo 180 graus, o carregamento da
ferramenta é menor em comparação aos métodos anteriores devido ao menor
ângulo de contato no início do corte. Quanto ao tempo de fabricação, o terceiro
método utiliza maior tempo devido ao percurso da ferramenta na formação da rosca
(BRETAS, 2009).
2.3.3 Roscamento por Macho de Corte
De acordo com Tsuruda (2010), o roscamento interno com macho de corte é
referenciado pela retirada de cavaco do produto usinado, pois o diâmetro da broca é
menor que o diâmetro externo do macho de corte. O roscamento torna-se complexo
devido aos ajustes necessários no processo para evitar o erro de sincronismo entre
o movimento de rotação e de avanço da ferramenta, a quebra do macho devido ao
23
desgaste prematuro e o desalinhamento entre a ferramenta e o pré-furo devido à
variação do diâmetro interno.
Já para Barrios et al. (2011), a aplicação do macho de corte é relacionada
com o diâmetro do furo a ser preparado com a broca, e sua seleção depende do tipo
de rosca a ser fabricado.
Os machos podem ser helicoidais ou de canais retos, fabricados em aço rápido ou metal duro. Podem ser usados em furos cegos (helicoidais, pois forçam o cavaco a ser removido do furo) ou furos passantes (canais retos), com sincronismo da rotação da máquina com o avanço. As velocidades excessivas causam maior desgaste, acabamento ruim, rebarbas, má qualidade da rosca, entre outros danos. (BARRIOS et al., 2011, p.292).
A ferramenta macho de corte possui características de fabricação (canal
helicoidal ou reto) para cada aplicação de processo e material a ser usinado. O
material da ferramenta e o tratamento superficial proporcionam maior durabilidade
(vida útil) e acabamento superficial do produto usinado. Na Figura 2.17, observam-
se as descrições para cada segmento da ferramenta de roscar com canal helicoidal
e sua geometria.
Figura 2.17 – Macho de corte com canal helicoidal
Fonte: Moraes (2010).
Pode-se observar também as especificações e pontos de interface com o
porta-ferramenta a ser montado e as características para fabricação da rosca, como
24
os canais helicoidais e o comprimento de rosca cilíndrica.
Em conformidade com Mota (2009), o roscamento com macho é de fácil
aplicação e é citado com alta eficiência de processo. Dentre os pontos positivos para
esse processo, pode-se citar sua produtividade e economia para roscas menores,
menor tempo de ajuste, equipamentos ociosos e sua utilização em altas velocidades
de corte e maior vida da ferramenta. Ainda conforme Baker (2003 apud MOTA, 2009),
a ferramenta de corte pode variar a sua geometria a partir do tipo de material a ser
usinado, usinagem com pré-furo ou cheio, a seco ou com refrigeração. Os chanfros
são caracterizados como curtos de um a dois filetes de rosca, recomendados para
os furos cegos, chanfros médios, característica para furos passantes. Em sua
estrutura, constam de três a cinco filetes de rosca e o chanfro longo, recomendado
para furos passantes para utilização em alta produção.
Na Figura 2.18, observam-se as particularidades e as características da
ferramenta macho de corte, com os canais para escoamento de cavaco, região
cônica de início de usinagem, região de maior desgaste e as superfícies de saída e
de folga da ferramenta.
Figura 2.18 – Descrições ferramenta macho de corte
Fonte: Cardoso (2012).
A ferramenta macho de corte possui especificações de refrigeração interna,
25
que proporciona atividades com parâmetros de processo acima da especificação
nominal, com menor variação no diâmetro interno e melhor acabamento do produto
usinado.
De acordo com Maciel (2013), os tipos de machos de corte são classificados
conforme sua aplicação e tipo de material a ser usinado. Na Figura 2.19, identificam-
se os modelos dos canais e suas aplicações.
Figura 2.19 – Tipos de canais reto e helicoidal da ferramenta macho de corte
Fonte: adaptado de Catto (2004 apud MACIEL, 2013).
Avalia-se que os diferentes tipos de canais atuam nas condições específicas
do tipo de equipamento, do cavaco gerado na fabricação da rosca e da lubrificação,
para proporcionar melhor condição de trabalho e maior vida da ferramenta.
26
2.3.4 Roscamento por Macho Laminador
A ferramenta macho laminador, segundo Ivanov e Kirov (1997), possui
característica similar à ferramenta de corte com a região de haste e a região de
trabalho. Nesta, constitui o chanfro e o diâmetro, que compõem os filetes que serão
gerados a rosca, conforme identificados na Figura 2.20. Na seção (AA), visualiza-se
a seção transversal da ferramenta, com os pontos de contato (a,b), que podem ser
paralelos ou dispostos em hélice. Na seção B, consta o chanfro da ferramenta com
os diâmetros (d0, d1 e d2) e o ângulo кr.
Figura 2.20 – Nomenclatura ferramenta macho laminador
Fonte: Ivanov e Kirov (1997).
O processo de laminação de rosca interna consiste na formação do perfil de
rosca a partir da compressão exercida pela ferramenta macho laminador no diâmetro
interno do produto. Já no processo de rosca por usinagem, a estrutura granular do
material está sendo cortada durante o processo. Para Agapiou (1994 apud BRETAS,
2009, p. 18):
27
A principal diferença entre a rosca laminada e usinada é a alta resistência mecânica nos filetes conformados pelo processo de laminação, o que é mostrado na orientação das fibras do material. A não geração de cavacos e a alta durabilidade da ferramenta também são vantagens do processo de laminação a serem consideradas.
Segundo Guhring (2012), para a formação da rosca laminada, o material
torna-se mais resistente devido à sua compressão, não havendo região de
escoamento. Além disso, o processo de laminação proporciona uma superfície com
menor rugosidade, maior precisão e qualidade na dimensão do produto e maior
velocidade na formação do perfil de rosca. Na Figura 2.21, identifica-se a ilustração
da ferramenta macho laminador.
Figura 2.21 – Ferramenta macho laminador
Fonte: Moraes (2010).
Dentro das vantagens sinalizadas, é importante comprovar as características
do processo de laminação em comparação ao processo de corte na fabricação de
roscas M14x1,5, visando à quantificação das vantagens atribuídas nas variáveis
consideradas por este estudo, sendo elas a análise de microdureza e a dos esforços
mecânicos.
Na Figura 2.22, está representado o perfil da rosca no processo de laminação.
28
Figura 2.22 – Perfil rosca laminada – modificado
Fonte: Bretas (2009).
Verifica-se, na Figura 2.22, que o perfil de rosca laminado possui
característica específica devido à conformação do material interno.
Para a formação do perfil de rosca no processo de laminação, ocorre o
deslocamento de material entre o contato da ferramenta e a peça. Diante disso, ele
possui um perfil específico, divisão na crista (split crest), devido ao escoamento de
material (FROMENTIN et al, 2004). Ainda segundo os autores, a conformação e a
formação da rosca dependem do diâmetro do pré-furo. Quanto menor o diâmetro do
pré-furo, menor será a divisão na crista da parte superior. O perfil de conformação do
filete de rosca com a divisão na crista pode ser visualizado na Figura 2.23.
Figura 2.23 – Divisão na crista – perfil rosca laminada
Fonte: Fromentin et al. (2004).
Perfil rosca
laminada
29
De acordo com Emuge (2009, p. 15), a ferramenta macho laminador possui
um redutor nas guias de trabalho onde a linha da rosca helicoidal aumenta
gradualmente até o diâmetro especificado da ferramenta: “no processo de laminação,
a redução de guia gera a rosca com ajuda das arestas de laminação, que entram na
peça de trabalho de forma sucessiva e na direção radial, a formar o perfil da rosca”.
Conforme Ivanov e Kirov (1997) e Fromentin et al. (2004), o processo de
laminação possui vantagens sobre o processo de corte devido à sua maior eficiência,
melhor resistência, maior vida da ferramenta e melhor qualidade superficial no perfil
de rosca.
Na laminação, durante a fabricação do perfil de rosca, não ocorre formação
de cavacos. Diante disso, conclui-se um processo com menos falhas inerentes ao
acúmulo de resíduos nas arestas postiças de corte (APC) (USINAGEM BRASIL,
2012). Além disso, esse processo proporciona uma resistência à tração de 20 a 30%
maior em comparação ao processo de fabricação por corte.
A estrutura e a formação da ferramenta macho laminador possuem
particularidades que oferecem vantagens e características específicas para o
processo de laminação. O perfil poligonal obtém maior influência nas arestas de
contato com o produto fabricado e proporciona os movimentos de fluxo de material
para a formação do filete de rosca. A Figura 2.24 representa a forma poligonal e a
simbologia das ranhuras que proporcionam a lubrificação.
Figura 2.24 – Forma poligonal – macho laminador
Fonte: Emuge (2010 apud CARVALHO, 2012).
30
Na forma poligonal citada anteriormente, identificam-se os pontos de contato
da ferramenta em relação ao diâmetro do furo do material. Dessa forma, os
intervalos ou espaços em vazio são utilizados para fluxo do fluido lubrificante e
também da velocidade de fluxo de material a ser conformado na formação da rosca.
Para Ivanov e Kirov (1997), existem diferentes formas poligonais para
aplicação do macho laminador, porém cada modelo com sua aplicação específica de
acordo com o material projetado para conformação. Esta é controlada pelo perfil
excêntrico da ferramenta, proporcionando a formação do perfil de rosca e auxiliado
pelo fluxo de fluido nos canais de lubrificação. Na Figura 2.25, identificam-se os
diferentes modelos de perfis poligonais aplicados na conformação de materiais.
Figura 2.25 – Formas poligonais – macho laminador
Fonte: Ivanov e Kirov (1997).
Conforme a Figura 2.25, visualiza-se o perfil poligonal da ferramenta, o qual
estabelece maior rigidez e estabilidade para o processo de formação de rosca.
A geometria da ferramenta para a laminação interna distribui-se de forma
homogênea, proporcionando que todas as arestas entrem em contato com o produto,
favorecendo melhor distribuição do desgaste. O formato poligonal, característica
fundamental da ferramenta, reduz a fricção e o calor entre esse e o produto durante
o processo de laminação (USINAGEM BRASIL, 2012).
Outro ponto determinante para o início do processo de laminação é a redução
de guia determinada conforme DIN 2175. De acordo com Emuge (2009), têm-se três
31
formas de chanfros determinadas pelas identificações C, D e E, e,
consequentemente, as seguintes reduções de guia, 2 a 3.5 fios, 3.5 a 5.5 fios e
menor que 2.0 fios, conforme a Figura 2.26.
Figura 2.26 – Formas de reduções de guia – macho laminador
Fonte: Emuge (2009).
Dentro dos perfis de redução de guia na Figura 2.26, cita-se a inclinação ou
ângulo de entrada da ferramenta como a diversidade dos modelos C, D e E. Dos
modelos apresentados, o item D representa menor esforço de entrada devido à
maior distribuição da carga aplicada durante a formação da rosca.
Na visão de Pereira (2014), os ângulos de entrada e retorno das ferramentas
proporcionam o comportamento do momento torçor na formação da rosca, e sua
conicidade determina a distribuição da deformação do material em vários dentes da
região cônica.
Para Campos (2013), a utilização dos machos laminadores é mais produtiva e
a ferramenta com chanfro na forma C é recomendada para aplicações de furos
cegos e passantes.
Conforme Emuge (2010 apud CARVALHO, 2011), o objetivo do comprimento
de entrada de redução de guia é favorecer o alinhamento e o batimento da
ferramenta no início do processo de laminação. A redução de guia nas ferramentas
proporciona também menor esforço por filete de rosca, tornando-se gradativo à
formação da rosca.
32
De acordo com Fromentin et al. (2010), o processo de laminação é muito
interessante e econômico em comparação ao processo de corte, devido à maior vida
da ferramenta, à maior confiabilidade e à não formação de cavaco durante a
fabricação de rosca. Nesse processo, também, não ocorrem erros de forma no perfil
de roscado e apresentada resistência à tração superior particularmente nos flancos
da rosca devido ao fluxo ininterrupto dos grãos e do processo de formação da rosca,
o que reduz o risco de ruptura através de sua concepção rígida.
Conforme DIN 8583, citado por Guhring (2012), a formação da rosca por
laminação é o processo de compressão da ferramenta utilizada com o produto ou a
peça no perfil de espiral. A parte poligonal das ferramentas é inserida no produto pré-
furado com rotação e avanço iniciando a formação de rosca a partir do passo de
avanço. O perfil de rosca é gerado gradativamente a partir da entrada da ferramenta
(macho laminador) no produto a ser trabalhado. O processo de laminação ocorre
devido à compressão e deformação que excede o limite de compressão.
A homogeneidade do pré-furo, tanto no diâmetro, ovalização ou
concentricidade, pode ocasionar maior esforço e carga radial na ferramenta,
reduzindo sua vida e, consequentemente, um perfil de rosca irregular, como também
a sua quebra. Dessa forma, estabelece-se que os controles de preparação do pré-
furo, dos diâmetros e de conicidade são fundamentais para a estabilidade do
processo de roscamento por laminação.
Na Figura 2.27, é representada a deformação e a conformação do material no
início do filete de rosca a partir do início de entrada da ferramenta.
Figura 2.27 – Processo de formação do perfil de rosca laminada
Fonte: Guhring (2012).
33
Verifica-se em três etapas, a deformação gradativa dos perfis de rosca com a
demarcação do chanfro da ferramenta. De acordo com a Figura 2.27, têm-se: D para
diâmetro nominal, D2 para diâmetro flanco, Dk diâmetro furo, H altura do perfil e P
para o passo. Avaliam-se também a deformação das fibras do aço e sua formação
completa.
O sistema de lubrificação, como aplicado no roscamento por corte, obtém as
vantagens de refrigeração do processo e melhor escoamento do material durante a
formação da rosca, como também beneficia o rendimento da ferramenta. A
lubrificação no roscamento evita que o material seja acumulado nos flancos dos
filetes de rosca e assegura que o torque necessário para o processo de formação
não seja superior ao especificado. Importante ressaltar a preferência dada aos
lubrificantes com características de arrefecimento e aditivos necessários para o
processo de laminação. Quanto melhor a lubrificação, melhor o processo de
formação de rosca. Outro ponto relevante é a utilização do fluido lubrificante com
aditivos químicos, o que proporciona maior estabilidade na refrigeração e,
consequentemente, maior vida da ferramenta.
2.3.5 Roscamento por Laminação – Processo Externo
O processo de laminação externa por placas planas ou rolos aplica-se a um
processo produtivo, com qualidade do perfil roscado (CARVALHO, 2011), e atende a
diversificados produtos com pequenos e grandes diâmetros. Geralmente, o método
de fabricação é a frio, proporciona maior resistência ao material e também é aplicado
aos produtos com passo mais fino (KHARAGPUR, 2008). Os modelos de laminação
externa utilizam pares de matrizes ou rolos laminadores conforme listados a seguir.
2.3.5.1 Laminação Externa por Duas Placas
Neste processo, são utilizados dois encostos planos, onde um dos eixos
realiza o movimento linear paralelo (CARVALHO, 2011). Conforme Kharagpur (2008),
34
nesse método, é utilizada uma placa fixa e a outra se desloca paralelamente
conforme ilustrado na Figura 2.28.
Figura 2.28 – Laminação de rosca com encosto plano
Fonte: Kharagpur (2008).
Na laminação externa entre placas planas, existem três aplicações de
processo: Horizontal, onde é mais utilizada no mercado industrial; aplicação Vertical,
que auxilia no escoamento de cavaco e com otimização de espaço físico; e o modelo
Inclinado, que, diante da complexidade, intera os benefícios dos processos
horizontais e verticais.
2.3.5.2 Laminação Gravação Única
O processo de gravação única é direcionado para altas produtividades com
eixos contínuos ou peças de pequenos e grandes portes. Sua atividade é realizada
pelo sentido rotacional dos rolos sobre eixos, conforme Figura 2.29, e um deles
realiza a movimentação contra a peça posicionada no dispositivo (régua) no centro
de trabalho (CARVALHO, 2011).
35
Figura 2.29 – Laminação externa por gravação única
Fonte: Batalha (2003) adaptado por Carvalho (2011).
Apesar de proporcionar produtos com roscas de grandes comprimentos, o
conjunto de matrizes circulares ocupa poucos espaços. Os ajustes, a montabilidade
e a manutenção são acessíveis ao operador proporcionando maior produtividade
para esse processo. De acordo com Dubbel (1979), com pressão por rolos
laminadores, os parâmetros de tempo e velocidade de laminação são ajustáveis,
considerando o limite de curso após ajuste automático para fabricação de rosca com
a profundidade desejada.
As ferramentas por rolos laminadores podem ser utilizadas nos equipamentos
automáticos e semiautomáticos a partir dos cabeçotes axiais, radiais e tangenciais,
exercendo o processo de conformação de rosca por fechamento dos rolos
laminadores. Na Figura 2.30, verificam-se os tipos de rolos de laminação com o seu
princípio de funcionamento.
36
Figura 2.30 – Tipos de rolos de laminação externa
Fonte: Fette (2012 apud MACIEL, 2013).
37
2.3.5.3 Laminação Cilindro de Roscamento
Segundo Carvalho (2011), o processo de laminação com cilindro de
roscamento é realizado para alta produtividade, da qual o produto é direcionado por
alimentadores e ciclos automáticos do equipamento. Esse sistema, Figura 2.31, é
composto da ferramenta laminadora posicionada e rotacionando sobre seu eixo e do
segmento de rosca, na qual o produto permanece apoiado para fabricação da rosca.
Figura 2.31 – Laminação cilindro de roscamento (modificado)
Fonte: Kharagpur (2008).
O modelo de laminadora de cilindro de roscamento é recomendado para os
processos com alta produtividade devido à alimentação dos produtos automática por
gravidade (KHARAGPUR, 2008).
Conforme Gouveia (2012), o processo de fabricação de rosca por laminação
externa e contínua é realizado sob pressão dos rolos laminadores em contato com a
peça a ser produzida, até a profundidade total para formação do perfil de rosca.
38
2.4 Fluido Lubrificante
Atualmente, nos processos de fabricação, a lubrificação é abordada de forma
especial diante de sua importância e sinergia para cada aplicação. Os fluidos de
corte podem ser classificados em sólido, líquido e gasoso (KLAUBERG, 2009).
Nos sólidos, tem-se como característica principal a lubrificação e podem ser
citados em sua composição o grafite e o bissulfeto de molibidênio.
Já nos líquidos, podem ser classificados em óleos puros, óleos emulsionáveis
e fluidos químicos. Os óleos puros não possuem água em sua composição e podem
ser integrais, sintéticos, vegetais ou mistos. Os óleos emulsionáveis são compostos
de óleo, água e emulsificadores. Possuem boa refrigeração e antioxidação e baixa
lubrificação. Nos fluidos químicos, sua composição é à base de água, sais orgânicos
e inorgânicos. Têm como principais propriedades excelente refrigeração e baixa
lubrificação (LISBOA; MORAES; IRASHITA, 2013).
Para o método gasoso, ar, dióxido de carbono, nitrogênio e vapor compõem
sua base, e sua principal propriedade é a refrigeração.
As lubrificações podem ser em alta pressão, Mínima Quantidade Lubrificante
(MQL), e a seco.
De acordo com Santana et al, (2010 apud SILVA, 2014), os aditivos alteram
as propriedades dos lubrificantes que melhoram seu desempenho e auxiliam nas
características específicas, como a tendência à corrosão, espumas, oxidação,
desgaste prematuro e atrito, principal fonte de calor nos processos de usinagem e
conformação.
Dentro dos trabalhos técnicos de fluido lubrificante (MOTA, 2009) nos
processos de usinagem, a aplicação do MQL favorece não só as questões
financeiras devido à economia a ser gerada no processo, mas as condições
ambientais e a saúde dos funcionários que trabalham em contato direto com os
produtos lubrificantes.
Os estudos relacionados ao MQL comprovam sua eficiência. Na perspectiva
de Mota (2009), é economicamente viável em comparação ao processo a seco e
também comparado aos óleos e emulsões. Porém, o autor também cita que alguns
estudos permanecem inconclusivos quanto aos rendimentos dos recursos utilizados
39
nos processos como máquina-ferramenta, sobre as ferramentas de corte e outras
referências do efeito ambiental gerado.
Em complemento aos estudos de MQL, conforme Costa (2004 apud MOTA
2009) e Mota (2006), os estudos comprovaram, para os materiais de baixa
usinabilidade e velocidade de corte baixa, a eficiência da utilização da mínima
quantidade de lubrificante, sendo completamente viável sua aplicação.
Para a lubrificação nos processos com furo cego, a aplicação do fluido é
restrita e a retirada do cavaco do furo torna-se complexa. Para Lorenz (1980 apud
HAAG; AMANCIO 2012), as ferramentas são projetadas em sua grande maioria com
canais para a saída dos cavacos. Isso acarreta a resistência mecânica que interferirá
diretamente nas projeções de torque na formação da rosca.
No que se refere à utilização do fluido lubrificante nos testes experimentais e
em produção sequenciada, Fromentin et al. (2004) citaram essa influência no
aumento da dureza durante a formação da rosca e também com o objetivo de evitar
futuros desgastes ou avarias nas ferramentas.
2.5 Esforços Mecânicos
A análise da aplicação de força sobre as roscas serve para determinar o limite
de esforço que o produto ou componente poderá exercer ou suportar em seu
trabalho. Os testes com rosca interna em sua maioria são realizados a partir da
fixação com parafusos com resistência maior ao corpo de prova, a fim de não
influenciar ou interferir nos resultados experimentais.
De acordo com Fromentin et al. (2004), nos testes experimentais de análise
de força para o aço C22, foi utilizado o parafuso de fixação aço C70, com objetivo de
quantificar e comparar as características do perfil de rosca pelo processo do macho
de corte e pelo macho laminador.
Nesse estudo, nota-se que o material C22 para o processo de laminação
obteve a força de ruptura 27% maior que o processo com macho de corte. Esse
percentual é atribuído devido ao encruamento de material na região da rosca,
proporcionando maior força de cisalhamento. Na Figura 2.32, identifica-se o
comparativo entre os processos para o aço C22, com as forças de tração aplicadas,
40
e o percentual de resistência entre o processo de corte e o laminado.
Figura 2.32 – Força de tração das roscas formadas pelo processo de corte e de laminação
Fonte: Fromentin et al. (2004).
Identifica-se, nesse processo, a diferença no perfil de rosca formado para o
processo de corte e o split crest devido à conformação do material para o perfil
laminado dos aços C22 e C70.
Conforme Haag e Amancio (2012), dentro dos processos de usinagem e
conformação, as características e variáveis que mais influenciam na formação de
rosca são o momento torçor (torque) e o esforço axial. Essas grandezas geram
interferência direta das condições de corte das ferramentas, processo de lubrificação,
atrito e profundidade de corte. Ainda segundo os autores, é importante obter
conhecimento dos valores de torque e esforço axial para identificar as aplicações e
direções das forças, os parâmetros e o dinamismo do processo.
Na Figura 2.33, identifica-se a leitura do torque nas etapas do processo de
formação da rosca.
41
Figura 2.33 – Gráfico de Torque (Nm) nas etapas de usinagem, parada e retorno da ferramenta macho de corte
Fonte: Pereira (2010).
Para o início do contato da região cônica da ferramenta com a peça, inicia-se
a leitura de torque até o diâmetro final, onde é possível visualizar em determinado
período os valores elevados gerados pela formação da rosca. Identificado no gráfico
no qual se conseguiu estabelecer o período de parada da ferramenta e também o
seu retorno, notam-se nessa inversão os valores negativos referentes a esse
processo até o seu ponto inicial de repouso da ferramenta.
Nas análises do comportamento gráfico para os experimentos com variáveis
de resposta força axial (Fz) e momento torçor (Mz), de acordo com Carvalho (2011),
identifica-se que, para ambos os gráficos, há um padrão ou etapas definidas como
leitura do ciclo de roscamento, divididos na parte cônica e na parte cilíndrica, e na
leitura do retorno da ferramenta.
Na Figura 2.34, consta a análise do momento torçor (Nm) para velocidade de
corte 100 m/min. com diâmetro inicial pré-furo de 9.3 mm.
42
Figura 2.34 – Gráfico do Momento Torçor (Nm) – Relação perfil da ferramenta com as etapas do processo de roscamento
Fonte: Carvalho (2011).
No ciclo de roscamento, o tempo de aquisição de dados para a parte cilíndrica
pode ser alterado, tendo em vista a aplicação da ferramenta, que estará em contato
para a formação da rosca, e os parâmetros de rotação e velocidades de cortes
estabelecidos no processo.
Na análise da força axial (Fz), os valores avaliados possuem índices elevados
devido à recuperação elástica do material que pressiona os filetes da peça com a
ferramenta de laminar (CARVALHO et al., 2012).
De acordo com Fromentin et al. (2010), a análise de dados do momento torçor
foi dividida em quatro etapas conforme descrito na Figura 2.35. No primeiro estágio,
inicia-se a leitura do torque por causa do contato da ferramenta na peça. No
segundo, entre os períodos T2 e T3, é chamado de torque de atrito. Nesse intervalo,
ocorre a formação dos filetes de rosca abaixo do diâmetro final do produto. No T3,
conhecido como torque médio, inicia-se a leitura na condição de diâmetro final até a
formação completa do filete de rosca. E por fim, em T4, ocorre o término do
roscamento: o retorno da ferramenta até o estágio inicial.
43
Figura 2.35 – Etapas do torque na formação da rosca – torque de formação, médio e de atrito
Fonte: Fromentin et al. (2010 apud ANDRADE, 2014).
Na aquisição dos dados do momento torçor (Mz), afirma-se, segundo Mota
(2006), que as variáveis do tipo de material, a velocidade de corte, o sistema de
lubrificação com seu percentual, o desgaste das ferramentas e o tipo de fixação e
indexação das ferramentas possuem relação direta com o perfil gráfico do torque.
No experimento citado por esse autor, percebe-se a interferência da utilização
entre os cabeçotes de fixação de ferramentas fixo (rígido) e o cabeçote autorreverso.
O autorreverso possui o sistema de compensação que reduz a carga e a
interferência, que é transmitida ao sistema; consequentemente, reduz a aplicação de
torque no conjunto montado. A Figura 2.36 ilustra a interferência da utilização da
ferramenta com cabeçote rígido e do cabeçote autorreverso.
44
Figura 2.36 – Medição de torque – cabeçote fixo e autorreverso
Fonte: Mota (2006 apud MOTA, 2009).
Visualizam-se, nesse gráfico, as identificações: (A), medição de torque na
entrada da ferramenta na região cônica; (B), medição de torque no diâmetro
específico na formação da rosca; e (C), medição de torque no retorno da ferramenta
e posicionamento no estado inicial.
Após a abordagem técnica dos processos de formação da rosca, do fluido
lubrificante e dos esforços mecânicos, será iniciado o próximo capítulo, que trata dos
materiais e métodos, apresentando os recursos necessários e o planejamento dos
experimentos.
45
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
Esta pesquisa consiste em duas fases, sendo que no primeiro experimento foi
avaliada a microdureza do perfil de rosca e no segundo experimento foi realizada a
análise dos esforços mecânicos. Nos dois experimentos, o objetivo foi comparar os
processos de usinagem e conformação na formação da rosca.
3.1 Recursos e Materiais
3.1.1 Primeira Fase: Análise Microdureza
3.1.1.1 Máquina Operatriz e Dispositivos
No primeiro experimento para o processo de roscamento, foi considerado o
equipamento centro de usinagem vertical Doosan, modelo MV 4020L, com
especificações (X, Y e Z) de curso de trabalho 1020 x 510 x 625 mm, mesa de
trabalho 1200 x 500 mm, rotação eixo 12000 rpm, avanço rápido de 36 m/min. (X e
Y), 30 m/min (Z) e avanço de trabalho de 15.000 mm/min. A Figura 3.1 ilustra o
equipamento centro de usinagem vertical referido.
46
Figura 3.1 – Equipamento de usinagem Doosan
Fonte: autoria própria.
Para o processo de lubrificação, o equipamento centro de usinagem vertical
Doosan utiliza aplicações interna e externa, com especificação de fluido lubrificante
óleo semissintético, composto por misturas químicas e água. Ele dimensiona a
concentração do fluido com o equipamento refratômetro para confirmação das
especificações estabelecidas. Seu objetivo é identificar possíveis variações no fluido
refrigerante que possam afetar diretamente o rendimento e o acabamento dos
produtos dentro do processo de usinagem.
Para a fixação do corpo de prova, foi utilizado o dispositivo de fixação
hidráulica, material aço ABNT 8640, conforme ilustrado na Figura 3.2. O produto é
posicionado na vertical, perpendicular à base do equipamento.
47
Figura 3.2 – Dispositivo de fixação hidráulica para usinagem corpo de prova
Fonte: autoria própria.
3.1.1.2 Ferramentas Processo de Roscamento
No processo de fabricação de rosca por corte, foi utilizada a broca helicoidal
diâmetro Ø 12.5 mm para abertura do diâmetro interno, WALTER A3399XPL-12.5
MD e para o roscamento o macho M14x1.5 EMUGE IS03/6G TYP2 D-z-IKZ HSSE-
TINC.
A Figura 3.3 representa as ferramentas broca e macho de corte para o
processo de usinagem.
Base de apoio
corpo de prova
Garra de fixação
do corpo de prova
48
Figura 3.3 – Broca e macho de corte
Fonte: autoria própria.
O conjunto ferramenta se compõe do adaptador EMUGE Softsynchro D25
DIN 1835B+E F 3153G26144 e do cone de fixação EMUGE SK 40, D25-DIN1835-B
F330008.01. Na Figura 3.4, identifica-se a ferramenta dimensionada e posicionada
no cabeçote do equipamento centro de usinagem vertical.
Figura 3.4 –Conjunto ferramenta macho de corte posicionados no centro de usinagem vertical
Fonte: autoria própria.
Ferramenta
Macho de Corte
49
Já para a preparação do processo de conformação, é necessário o diâmetro
do pré-furo maior em comparação com o processo de macho por corte. De acordo
com Ivanov e Kirov (1997), para um método de laminação eficaz, o diâmetro deve
ser estabelecido conforme Equação 3.1, ou seja, o passo da rosca na laminação
corresponde à metade do passo de rosca no processo de corte.
[3.1]
Para o pré-furo, foi utilizada a broca helicoidal WALTER TITEX A1164TIN DIN
6539, MD, diâmetro Ø 13.3 mm, característica tipo N e ângulo de ponta 118º. Na
Figura 3.5, é apresentada a ferramenta utilizada no processo de furação e seus
respectivos dimensionais.
Figura 3.5 – Ferramenta broca helicoidal
Fonte: adaptado de Waltertools (2012).
Para a fabricação do perfil roscado, foi utilizada a ferramenta macho de
conformação EMUGE, modelo E-M14x1.5 InnoForm2-Z HSSE-TIN-T26 2096670/10.
Foi feita a seleção da ferramenta, formato tipo “C”, a partir de sua aplicação para o
aço ABNT 1035. A formação dos filetes de rosca está relacionada ao tipo de macho
laminador determinado para o processo de fabricação.
As roscas formadas por laminação obtêm a vantagem de serem mais
resistentes e com menor tempo de fabricação em comparação ao processo de
formação de rosca pela ferramenta de corte. Na Figura 3.6 tem-se o macho
laminador fornecedor EMUGE utilizado nos testes experimentais.
50
Figura 3.6 – Ferramenta macho laminador
Fonte: autoria própria.
As especificações de rosca devem manter as características citadas conforme
a literatura a respeito dos processos em estudo: split crest no topo, sinalizando o
encruamento do processo de laminação, o encruamento do material e as diferentes
microdurezas dentre as cristas e também nos vales.
3.1.1.3 Material Aço ABNT – Corpo de Prova
O material do corpo de prova é o aço de médio teor de carbono ABNT 1035,
com processo de normalização e dureza máxima de 190HB. Esse material mantém
as dimensões Ø 19.6 mm e h (altura) 40.0 mm, conforme citado na Figura 3.7.
Figura 3.7 – Projeto corpo de prova – aço ABNT 1035
Fonte: autoria própria.
51
3.1.1.4 Equipamentos de Teste – Análise Microdureza
Para o dimensionamento da microdureza nas regiões de núcleo e nas cristas,
foi utilizado o equipamento durômetro, modelo Pantech, com padrão de calibração
734 HV10, com intuito de avaliar o comparativo após o processo de usinagem e
conformação exercida em todo o perfil da rosca. As Figuras 3.8 e 3.9 correspondem
ao equipamento durômetro e ao padrão de calibração, respectivamente, utilizados
nos experimentos.
Figura 3.8 – Equipamento durômetro
Fonte: autoria própria.
Figura 3.9 – Padrão de calibração
Fonte: autoria própria.
52
3.1.2 Segunda Fase: Análise Esforços Mecânicos
3.1.2.1 Máquina Operatriz e Dispositivos
No segundo experimento, foi considerado o equipamento centro de usinagem
vertical modelo ROMI Discovery 560, cone ISO 40, avanço eixos X/Y 30 m/min.,
avanço eixo X 20 m/min., cursos mesa X, Y e Z 560, 406 e 508 mm respectivamente,
superfície da mesa 840 x 360mm, velocidade 7 a 7.500 rpm. A Figura 3.10 retrata o
equipamento centro de usinagem vertical Romi.
Figura 3.10 – Equipamento de usinagem Romi Discovery 560
Fonte: autoria própria.
O fluido lubrificante no centro de usinagem vertical Romi é óleo solúvel
semissintético biodegradável (Bio 100E – Biolub Química Ltda) diluído em água,
determinado nas concentrações conforme a segunda fase do experimento.
Para a fixação do corpo de prova, foi projetado e construído um flange para
posicionamento no equipamento dinamômetro com o objetivo de retransmitir o
momento de torção e a força axial relacionada nesta pesquisa. Nas Figuras 3.11 (a)
e (b), constam o projeto de construção e a flange para posicionamento do corpo de
prova para o experimento de usinagem e conformação.
53
Figura 3.11 (a) – Projeto dispositivo de fixação corpo de prova
Fonte: autoria própria.
Figura 3.11 (b) – Dispositivo de fixação do corpo de prova
Fonte: autoria própria.
3.1.2.2 Ferramentas Processo de Roscamento
Em concordância com os testes realizados no primeiro experimento, foram
utilizadas as seguintes ferramentas para o processo de corte: a ferramenta broca
helicoidal diâmetro Ø 12.50 mm para abertura do diâmetro interno, WALTER
A3399XPL-12.5 MD e para o processo perfil de rosca a ferramenta macho M14x1.5
54
marca EMUGE IS03/6G TYP2 D-z-IKZ HSSE-TINC. O conjunto ferramenta é
composto do adaptador EMUGE Softsynchro D25 DIN 1835B+E F 3153G26144 e o
cone de fixação EMUGE SK 40, D25-DIN1835-B F330008.01.
Na laminação, foi utilizada a broca helicoidal WALTER TITEX A1164TIN DIN
6539, MD, diâmetro Ø 13.30 mm. No perfil para formação da rosca, usou-se a
ferramenta macho laminador EMUGE, modelo E-M14x1.5-6HX InnoForm2-Z HSSE-
TIN-T26 2096670/10.
3.1.2.3 Material Aço ABNT – Corpo de Prova
O material do corpo de prova ABNT 1035 manteve as mesmas especificações
e dimensão conforme realizados os experimentos da primeira fase.
3.1.2.4 Equipamentos de Teste – Esforços Mecânicos
Para realizar as leituras dos dados do momento torçor e da força axial durante
a formação da rosca, aplicou-se o dinamômetro piezoelétrico estacionário Kistler
9272 com quatro canais, um amplificador de sinais Kistler 5070A e o software
DynoWare, também fornecido pela Kistler, apresentados conforme a Figura 3.12.
O sistema de aquisição de forças, composto por esses equipamentos, é
interligado a um microcomputador com processador Intel Pentium Dual Core 2.2GHz
com 2GB de memória RAM.
55
Figura 3.12 – (a) Dinamômetro; (b) Amplificador Carga; (c) Tela Software
Fonte: autoria própria.
Nos testes experimentais para determinar força de tração, foi utilizado o
equipamento EMIC, com o objetivo de avaliar especificadamente as deformações e
os pontos de cisalhamento dos perfis da rosca. A Figura 3.13 retrata o equipamento
de ensaio de tração EMIC.
Figura 3.13 – Equipamento ensaio de tração EMIC
Fonte: autoria própria.
56
A partir dos recursos e materiais descritos para a realização dos experimentos
na primeira e na segunda fases, foi realizado o planejamento dos experimentos,
citado no próximo tópico, com intuito de demonstrar as etapas do processo e das
análises estatísticas.
3.2 Planejamento dos Experimentos
3.2.1 Primeira Fase – Experimento Microdureza
Foram realizadas as análises de microdureza com o objetivo de comparar e
mensurar as microdurezas no núcleo e no perfil da rosca gerados pelos processos
de usinagem e conformação. Para isso, foram fabricadas amostras pelo processo
por corte e pelo processo de laminação com a velocidade de corte de Vc – 22.0
m/min., que correspondente a 500 rpm.
Nesse experimento, para ambos os métodos, utilizou-se fluido lubrificante
com especificação de 10% de dissolução. De acordo com Black e Payton (2004), a
lubrificação proporciona maior controle para estabilidade do processo. O óleo solúvel
é recomendado nos processos com altas velocidades de corte devido ao efeito de
resfriamento da água na sua composição.
Os pontos de medição de microdureza foram estabelecidos com o objetivo de
identificar três regiões distintas de distribuição dos esforços mecânicos. O ponto
inicial P1 localiza-se mais próximo do núcleo, o ponto P2 está localizado na região de
dobra e raio do perfil de rosca e o ponto P3 está situado na crista para dimensionar a
concentração de tensão e a resistência da rosca. Na Figura 3.14, visualiza-se a
localização dos pontos mencionados para a dimensão da microdureza.
57
Figura 3.14 – Pontos de medição de microdureza no perfil da rosca interna
Fonte: autoria própria.
Na preparação das ferramentas, as brocas helicoidais e os machos de corte e
laminador foram ajustados na pinça flutuante e posicionados no cabeçote do centro
de usinagem vertical Famup conforme Figuras 3.15(A) e 3.15(B). Já no que se refere
à preparação do dispositivo de fixação, as amostras foram ajustadas na posição
vertical e fixadas pela haste do cilindro hidráulico (Figura 3.16).
Figura 3.15(A) – Broca helicoidal Figura 3.15(B) – Macho de corte
Fonte: autoria própria. Fonte: autoria própria.
Ferramenta
Broca Helicoidal
Ferramenta
Macho de Corte
58
Figura 3.16 – Dispositivo de fixação do corpo de prova
Fonte: autoria própria.
Nesta primeira fase, os experimentos foram iniciados com o processo de corte
(ferramenta macho de corte), com a velocidade de corte Vc – 22.0 m/min. e
concentração de fluido a 10%, sendo realizada a usinagem de três amostras. Na
sequência, foi repetida a mesma operação de usinagem com o macho laminador
para a velocidade de corte Vc – 22.0 m/min., mantendo a concentração de fluido a
10%, com três amostras de cada especificação.
3.2.2 Segunda Fase – Análise Esforços Mecânicos
Na segunda etapa do experimento, foram analisados os esforços mecânicos
dos processos de fabricação de corte e de laminação e utilizado o método estatístico
ANOVA, com análise da variância de acordo com um planejamento fatorial e do
detalhamento da força axial (Fz), do momento torçor (Mz) e da força de tração.
Para este trabalho, realizou-se o teste de tração com 54 ensaios, sendo 27
amostras para o processo de fabricação de rosca por laminação e 27 amostras no
processo de corte. Na análise da força de tração considerou-se o roscamento de
Corpo de prova
Base de apoio
corpo de prova
59
três filetes de rosca para a execução dos ensaios de cisalhamento. Para cada
processo, foram analisados três níveis de velocidade de corte (Vc) e três níveis de
percentual do fluido lubrificante, com três réplicas de cada nível. Foram avaliados
também o comportamento dos filetes de rosca e a microdureza para confirmação da
conformação e resistência do material. Na Tabela 3.1, consta o detalhamento das
amostras com as velocidades e percentuais dos fluidos lubrificantes:
V1 � Especificação Velocidade de corte 01;
V2 � Especificação Velocidade de corte 02;
V3 � Especificação Velocidade de corte 03;
L1 � Especificação 01 fluido lubrificante;
L2 � Especificação 02 fluido lubrificante;
L3 � Especificação 03 fluido lubrificante;
CP111 �Velocidade Corte 01, Especificação fluido 01, Amostra 01;
CP112 �Velocidade Corte 01, Especificação fluido 01, Amostra 02;
CP113 �Velocidade Corte 01, Especificação fluido 01, Amostra 03;
CP121 �Velocidade Corte 01, Especificação fluido 02, Amostra 01;
CP122 �Velocidade Corte 01, Especificação fluido 02, Amostra 02;
CP123 �Velocidade Corte 01, Especificação fluido 02, Amostra 03;
CP131 �Velocidade Corte 01, Especificação fluido 03, Amostra 01;
CP132 �Velocidade Corte 01, Especificação fluido 03, Amostra 02;
CP133 �Velocidade Corte 01, Especificação fluido 03, Amostra 03;
CP211 �Velocidade Corte 02, Especificação fluido 01, Amostra 01;
CP212 �Velocidade Corte 02, Especificação fluido 01, Amostra 02;
CP213 �Velocidade Corte 02, Especificação fluido 01, Amostra 03;
CP221 �Velocidade Corte 02, Especificação fluido 02, Amostra 01;
CP222 �Velocidade Corte 02, Especificação fluido 02, Amostra 02;
CP223 �Velocidade Corte 02, Especificação fluido 02, Amostra 03;
CP231 �Velocidade Corte 02, Especificação fluido 03, Amostra 01;
CP232 �Velocidade Corte 02, Especificação fluido 03, Amostra 02;
CP233 �Velocidade Corte 02, Especificação fluido 03, Amostra 03;
CP311 �Velocidade Corte 03, Especificação fluido 01, Amostra 01;
CP312 �Velocidade Corte 03, Especificação fluido 01, Amostra 02;
60
CP313 �Velocidade Corte 03, Especificação fluido 01, Amostra 03;
CP321 �Velocidade Corte 03, Especificação fluido 02, Amostra 01;
CP322 �Velocidade Corte 03, Especificação fluido 02, Amostra 02;
CP323 �Velocidade Corte 03, Especificação fluido 02, Amostra 03;
CP331 �Velocidade Corte 03, Especificação fluido 03, Amostra 01;
CP332 �Velocidade Corte 03, Especificação fluido 03, Amostra 02;
CP333 � Velocidade Corte 03, Especificação fluido 03, Amostra 03;
Tabela 3.1 – Identificação dos corpos de prova para o segundo experimento
Fonte: autoria própria.
Nos parâmetros de processo para este experimento, adotaram-se as
velocidades de corte mínima e máxima recomendadas para os modelos de
ferramentas e a capacidade do equipamento de usinagem. Estabelecidos os
parâmetros nos processos de corte e laminação: V1 – 17.5 m/min., V2 – 30.0 m/min.
e V3 – 39.5 m/min., correspondentes, respectivamente, a 400, 680 e 900 rpm. No
retorno da ferramenta após a fabricação da rosca, estabeleceu-se a rotação de
400rpm. A partir da Equação 3.2, determinaram-se as velocidades de corte para os
três parâmetros estabelecidos no experimento.
[3.2]
Durante análise do processo de corte e laminação, foram consideradas
também três faixas de concentração do fluido lubrificante: 5%, 10% e 13%.
Posteriormente, na preparação das ferramentas e dispositivos, foi realizado o
ajuste da broca helicoidal com o macho de corte, na Figura 3.17 (A) e (B), e na
Figura 3.18 (A) e (B), a broca helicoidal com o macho laminador.
π = 3,1416
d = 14,0
n = 400, 680 e 900 rpm
61
Figura 3.17(A) – Broca helicoidal Figura 3.17(B) Ferramenta macho de corte
(A) (B)
Fonte: autoria própria.
Figura 3.18(A) – Broca helicoidal. Figura 3.18(B) Ferramenta macho laminador
(A) (B)
Fonte: autoria própria.
Para a montagem do corpo de prova no dispositivo de fixação, as ferramentas
foram posicionadas na parte interna da flange fixadas por parafusos laterais, com
Ferramenta
Broca Helicoidal
Ferramenta Macho
laminador
Ferramenta
Broca Helicoidal
Ferramenta
Macho de Corte
62
objetivo de travamento para não permitir as movimentações radial e axial durante o
processo de furação e rosca (Figura 3.19). A flange, por sua vez, é fixada ao
dispositivo dinamômetro através dos parafusos M6 em sua base, identificados na
Figura 3.20.
Figura 3.19 – Dispositivo de fixação com corpo de prova
Fonte: autoria própria.
Figura 3.20 – Dispositivo de fixação montado no dinamômetro
Fonte: autoria própria.
Os experimentos foram iniciados (etapa 01) com o processo de corte, pela
velocidade de corte V3 – 39.5 m/min. e concentração de fluido a 5%, sendo realizada
a usinagem de três amostras. Na sequência, foi repetida a mesma operação (macho
de corte) para a velocidade de corte V2 – 30.0 m/min. e V1 – 17.5 m/min., mantendo
Corpo de Prova
Dinamômetro
Parafusos de
fixação
63
a concentração de fluido a 5%, com três amostras de cada especificação. Na etapa
02, consideraram-se o experimento com o macho laminador, a velocidade de corte
V3 – 39.5 m/min. e a concentração do fluido a 5% para três réplicas. Esse processo
se repetiu para as velocidades V2 – 30.0 m/min. e V1 – 17.5 m/min. Na sequência,
utilizaram-se, nas etapas 03 e 04, as ferramentas de corte e laminador,
respectivamente, V3 – 39.5 m/min., V2 – 30.0 m/min. e V1 – 17.5 m/min.,
concentração do fluido a 10%; e nas etapas 05 e 06, as ferramentas de corte e
laminador, respectivamente, V3 – 39.5 m/min., V2 – 30.0 m/min. e V1 – 17.5 m/min.,
concentração do fluido a 13%.
No início dos testes experimentais, separaram-se as amostras de forma
aleatória a partir da definição randômica das duas variáveis de velocidade de corte,
percentual de lubrificação e três réplicas. Nas Tabelas 3.2 e 3.3, constam as
aleatoriedades das amostras para os respectivos experimentos de corte e laminação.
Tabela 3.2 – Aleatoriedade dos corpos de prova para o processo de corte
Fonte: autoria própria.
Tabela 3.3 – Aleatoriedade dos corpos de prova para o processo de laminação
Fonte: autoria própria.
Nas análises dimensionais do diâmetro do furo no segundo experimento,
foram considerados no experimento os instrumentos de medição Imicro divisão
milésimos e o anel calibrador padrão, para a finalidade de identificar-se a
variabilidade da furação e garantir a formação do filete de rosca. A medição dos
diâmetros internos foi feita com os instrumentos conforme as Figuras 3.21(A) e (B).
64
Figura 3.21(A) – Calibrador Imicro Figura 3.21(B) – Calibrador anel padrão
Fonte: autoria própria. Fonte: autoria própria.
No que se refere à força de tração, as amostras foram preparadas com o
roscamento do lado oposto para fixação na base do equipamento EMIC e o
dispositivo superior roscado nos três filetes para realização dos ensaios
experimentais. Na Figura 3.22, visualiza-se a preparação da amostra com o
dispositivo para a realização do teste de tração.
Figura 3.22 – Dispositivo teste de extração
Fonte: autoria própria.
A partir dos experimentos realizados com as especificações mencionadas,
constam no próximo capítulo as análises dos resultados referentes à microdureza
para o primeiro experimento e para o segundo experimento as variáveis de
Corpo de prova Dispositivo base
superior
Dispositivo base
inferior
65
respostas do momento torçor (Mz) e do roscamento para a força axial (Fz).
66
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Análise do Experimento – Microdureza
No primeiro experimento, foram avaliados inicialmente os valores encontrados
de microdureza nas amostras relacionadas ao processo de fabricação de rosca por
corte e por laminação. No segundo experimento, foram apresentados os resultados
relacionados aos esforços mecânicos em comparação entre os dois processos.
Para análise e comparação da microdureza após o processo de usinagem e
laminação, foi dimensionado o produto forjado no estado bruto nos pontos P1, P2 e
P3 de acordo com a Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Resultados microdurezas produto forjado Processo P1 (HB) P2 (HB) P3 (HB) Forjado 165 165 165
Fonte: autoria própria.
Na Figura 4.1, identificam-se os pontos de medição da microdureza do
produto forjado no equipamento modelo Pantech após o processo de embutimento
do material.
Figura 4.1 – Análise microdureza produto forjado
Fonte: autoria própria
67
No que se refere à microdureza, a análise das amostras foram realizadas no
sétimo filete de rosca e o resultado foi obtido em dureza Vickers, convertido para
dureza Brinell. Na Tabela 4.2, avaliaram-se os resultados de microdureza para os
três pontos determinados para processo de corte e de laminação.
Tabela 4.2 – Resultados das microdurezas do experimento Processo Vc (m/min) % Fluido P1 (HB) P2 (HB) P3 (HB)
Corte – Peça 01 22 10 179 161 165 Corte – Peça 02 22 10 178 162 165 Corte – Peça 03 22 10 181 161 166 Laminação – Peça 01 22 10 203 237 236 Laminação – Peça 02 22 10 212 243 237 Laminação – Peça 03 22 10 203 237 237
Fonte: autoria própria.
Diante dos resultados das microdurezas apresentados, foi feita a análise da
variância pelo planejamento fatorial, realizada pela média das três amostras para
cada ponto de medição. Nas Tabelas 4.3 e 4.4, encontram-se os valores das
microdurezas e a análise de variância com o contraste de posição, respectivamente.
Tabela 4.3 – Cálculo das médias das microdurezas por ponto de medição
Pts Corte Laminado Forjado
C01 C02 C03 Média L01 L02 L03 Média F01 F02 F03 Média P1 (HB) 179 178 181 179,33 203 212 203 206 165 163 164 164 P2 (HB) 161 162 161 161,33 237 243 237 239 165 163 164 164 P3 (HB) 165 165 166 165,33 236 237 237 236,67 164 164 165 164
Fonte: autoria própria.
Tabela 4.4 – Análise variância – microdureza Fatores G.L. MSS Fcalc Fo
SST 24958 26 SSPROCESSO 22297,6 2 11148,8 2246,4 3,5546 INFLUENCIA SSPOSIÇÃO 172,667 2 86,3333 17,3955 3,5546 INFLUENCIA SSINTERAÇÃO 2398,44 4 599,611 120,817 2,9277 INFLUENCIA SSERRO 89,3333 18 4,96296
Contraste das Posições SSC fcalc ftab
P1~P2 112,5 22,6679 4,41387 difere P1~P3 144,5 29,1157 4,41387 difere P2~P3 2 0,40299 4,41387 não difere
Fonte: autoria própria.
68
De acordo com a análise do teste contraste das posições, é possível afirmar
que a microdureza na posição 01 é diferente da posição 02 e da posição 03, e
também que a microdureza na posição 02 é semelhante à microdureza na posição
03. Após a análise do contraste das posições, foi calculado, na Tabela 4.5, o teste de
contraste dos processos.
Tabela 4.5 – Teste de contraste dos processos – microdureza Contraste dos processos
SSC fcalc ftab corte - laminado 15429,4 3108,91 4,74723 difere corte -forjado 93,3889 18,8172 4,74723 difere laminado -forjado 17923,6 3611,46 4,74723 difere
Fonte: autoria própria.
A partir do teste de contraste dos processos, é possível afirmar que foram
encontradas diferenças entre a microdureza e o produto laminado. Existe também a
diferença entre o produto fabricado por corte e o forjado, e tem-se diferença entre o
produto laminado e o forjado. O produto fabricado por laminação apresentou maior
microdureza em comparação ao processo de corte e ao forjado. Diante disso,
conclui-se que o processo de corte aumentou a microdureza com relação ao forjado,
mas o laminado apresentou microdureza maior em comparação a este.
Na Figura 4.2, observa-se a variação da média das microdurezas nos pontos
examinados, cujo resultado da análise estatística mostrou diferença significativa
entre os dois processos de corte e laminação, e entre eles e o material de partida, o
produto forjado.
69
Figura 4.2 – Análise microdureza – processo de corte (C), laminado (L) e forjado (F)
Fonte: autoria própria.
Com os dados referentes à microdureza encontrada no filete de rosca, ficam
demonstradas as variações das tensões residuais compressivas nos três pontos
analisados para o processo de corte e de laminação. Na análise da primeira amostra
por processo de corte, obteve-se o perfil de rosca linear na estrutura metalográfica,
também identificado por Agapiou (1994 apud CARVALHO, 2011). Na Figura 4.3,
foram avaliados os filetes de rosca e a formação de três perfis pelo processo de
corte.
Figura 4.3 – Perfil de rosca processo de corte
Fonte: autoria própria.
70
Dentro dos padrões e nomenclaturas relacionadas ao processo de corte,
avaliaram-se a regularidade de formação dos filetes e o perfil roscado conforme
padrão da rosca métrica. Na Figura 4.4, constam os pontos demarcados da análise
de microdureza relatados por P1, P2 e P3, conforme informado no planejamento dos
experimentos.
Figura 4.4 – Pontos de medição microdureza processo de corte
Fonte: autoria própria.
Nos pontos de análise da microdureza, notou-se que, no ponto P1, em seu
núcleo, está localizada maior concentração de microdureza 181HB, onde não
ocorreram alterações e usinagem; e, nos pontos P2 e P3, foram registrados valores
inferiores a 165 HB e 168 HB, respectivamente, devido às suas localizações de
extremidades no perfil de rosca.
No experimento com as amostras do processo de laminação, visualizam-se o
perfil e a formação do filete de rosca conforme a Figura 4.5. Na Figura 4.6, são
identificados os pontos de medição de microdureza.
Figura 4.5 – Perfil de rosca processo de laminação
Fonte: autoria própria.
71
Figura 4.6 – Pontos de medição microdureza no processo de laminação
Fonte: autoria própria.
A partir do processo de laminação, constatou-se que os resultados de
microdureza correspondem aos valores superiores ao processo de corte devido à
sua estrutura de conformação e maior tensão compressiva.
Com esse resultado, confirmam-se os achados encontrados em outras
pesquisas de que a compressão dentro do processo de laminação proporciona
resistência ao material, consequentemente influenciando nos resultados elevados
referentes à microdureza superficial e de núcleo.
4.2 Análise do Experimento – Esforços Mecânicos
No segundo experimento, foram realizadas as análises dos esforços força
axial (Fz) e o momento torçor (Mz) para se compararem os respectivos processos de
formação de rosca por corte e por laminação.
As especificações das ferramentas e dimensionais encontradas no diâmetro
interno dos experimentos constam na Tabela 4.6.
Tabela 4.6 – Variação do diâmetro interno do pré-furo – processo por corte e laminação
Experimento Ø Broca Ø Furo Mínimo Ø Furo Máximo
Corte 12,50 12,50 12,55
Laminação 13,30 13,32 13,37 Fonte: autoria própria.
A dimensão das amostras com os experimentos do processo de corte e de
laminação foram fabricadas com os mesmos parâmetros de velocidade de corte
72
conforme citado no planejamento de experimentos e também com o mesmo
comprimento de rosca, 24 mm, e do furo, 27 mm. Essa especificação da amostra é
ilustrada na Figura 4.7.
Figura 4.7 – Projeto corpo de prova
Fonte: autoria própria.
Posteriormente à definição das especificações das amostras para os
experimentos, realizaram-se a preparação das ferramentas, a parametrização do
equipamento centro de usinagem vertical para início da furação e o roscamento nos
processos de corte e laminação.
No que se refere ao controle do diâmetro do pré-furo, foram tabelados os
valores das amostras com intuito de se evitar a variação na formação do filete de
rosca nos resultados dos esforços mecânicos. Na Tabela 4.7, foram coletados os
diâmetros relacionados às amostras nos experimentos de corte e laminação.
73
Tabela 4.7 – Diâmetro interno do pré-furo por amostra
Fonte: autoria própria.
A variação do diâmetro interno máximo para os experimentos de usinagem foi
de 0,03 mm e por conformação de 0,04 mm. As especificações do diâmetro maior se
concentraram no início do furo e os diâmetros com especificação menor se
localizaram no final do processo de furação.
A importância da dimensão do diâmetro pré-furo é citada por Stemmer (1995)
e SENAI (2011 apud SILVA, 2014), podendo ocorrer falhas nos filetes de rosca
devido ao fato de o diâmetro do pré-furo ser maior. No caso oposto, há aumento dos
esforços mecânicos, com o atrito entre macho e a peça, e, consequentemente,
acréscimo do torque e a redução da vida da ferramenta devido ao superaquecimento.
Quanto aos dados do momento torçor e da força axial, calcularam-se a média
das réplicas de cada experimento e os valores máximo e mínimo para ambas as
74
variáveis. Neste trabalho, avaliou-se o perfil do gráfico quanto à sua linearidade,
estabelecidos os limites de controle necessários no tempo de aquisição de dados.
Para os estudos estatísticos, foi utilizado o software Minitab 16 para os cálculos da
probabilidade normal, histograma e boxplot. Já na análise de variância (ANOVA),
foram consideradas as médias SSFluido e SSVelocidade e a SSInteração entre os
processos avaliados.
4.2.1 Momento Torçor (Mz)
Nesta etapa, a variável relativa é o momento torçor nos dados de resposta
dos ensaios experimentais com aplicação no processo de corte e laminação. Na
Figura 4.8, visualiza-se a aquisição de dados para a amostra no processo de
laminação para a velocidade de corte 17.0 m/min. a 13% de concentração de fluido
lubrificante.
Figura 4.8 – Aquisição de dados de torque – processo de laminação – Vc 17.0 m/min
Fonte: autoria própria.
Verificam-se, na Figura 4.8, as etapas do processo de laminação como: início
de leitura do torque com a entrada da ferramenta, estabilização e aquisição dos
dados devido à formação da rosca no diâmetro especificado, parada e retorno da
ferramenta.
A partir dos dados informados, registrou-se o momento torçor (Mz), conforme
75
as Tabelas 4.8 e 4.9, e foram calculadas as médias das forças durante a formação
da rosca para cada amostra do experimento, respectivamente, para o processo de
corte e laminação.
Tabela 4.8 – Momento Torçor (Mz) – processo de corte
Fonte: autoria própria.
Tabela 4.9 – Momento Torçor (Mz) – processo de laminação
Fonte: autoria própria.
A partir dos valores tabelados, avaliou-se o comportamento gráfico das
amostras, com intuito de promover o detalhamento técnico sobre os esforços
mecânicos envolvidos no experimento.
Na análise de momento torçor para o processo de corte, verificou-se que os
valores de torque (Nm), com a especificação de 5% de concentração de fluido,
foram em média superiores aos valores de torque para as especificações de 10% e
13% do lubrificante. Na Figura 4.9, consta o gráfico com os valores de torque (Nm)
para as velocidades de corte nos três níveis percentuais de lubrificante.
76
Figura 4.9 – Torque (Nm) para o processo de corte – velocidade e percentual de fluido
Fonte: autoria própria.
Pode-se avaliar que, para os valores relacionados ao momento torçor, quanto
maior o percentual de lubrificação, menores os valores de torque relacionados. Na
análise dos percentuais de 10% e 13%, não ocorreram variações significativas em
comparação aos 5% de concentração de fluidos, exceto para a velocidade de corte
de 39.5 m/min., onde, por sua vez, foram obtidos índices acima da média de
aquisição dos dados.
Ao se realizar a análise do gráfico do momento torçor para o processo de
laminação, identificou-se também que, para a primeira análise do percentual de 5%,
foram encontrados valores relativamente superiores em relação aos experimentos
dos 10% e 13% do fluido lubrificante. Na Figura 4.10, constam os valores de torque
(Nm) para as respectivas velocidades de corte nos percentuais de fluido lubrificante
para o processo de laminação.
77
Figura 4.10 – Torque (Nm) para o processo de laminação – velocidade e percentual de fluido
Fonte: autoria própria.
Nota-se que, no processo de laminação, a variação entre o percentual de 5%
dos experimentos de 10% e 13% é expressiva quanto ao comportamento do
momento torçor em comparação ao processo de corte. Sendo assim, os dados
indicam que, na laminação, quanto maior o percentual de lubrificação, menores os
valores de torque.
No momento torçor, identificou-se a variabilidade no perfil do gráfico para a
geração do perfil de rosca dentro dos parâmetros de velocidade de corte e
percentual do fluido lubrificante selecionados nesta pesquisa. No que se refere à
variação de percentual de fluido lubrificante, notou-se que, quanto maior a
concentração do fluido, menor o momento torçor gerado nas velocidades de corte
utilizadas neste experimento: 17.5, 30.0 e 39.5 m/min. A Figura 4.11 ilustra esta
variação entre os percentuais de lubrificantes para o processo de laminação.
78
Figura 4.11 – Processo de laminação – velocidade de corte nos percentuais de fluido
lubrificante
Fonte: autoria própria.
Nota-se que, para o parâmetro de 30.0 m/min., em média, não ocorreu
variação de torque entre os percentuais de 10% e 13%. Já no processo de usinagem,
Figura 4.12, as três especificações de velocidade apresentaram valores menores do
momento torçor em comparação ao processo de corte.
Figura 4.12 – Processo de corte – velocidade de corte nos percentuais de fluido lubrificante
Fonte: autoria própria.
79
Portanto, diante dos gráficos analisados, para os percentuais de lubrificante
pesquisados, quanto maior a concentração de fluido, menores os valores de torque
dentro dos parâmetros dos experimentos nos processos de usinagem e
conformação.
No que se refere à análise das velocidades de corte em comparação com os
percentuais de concentração de fluido nos experimentos, notou-se que para 17.5
m/min., não houve variação significativa nos percentuais de 5% e 10% nos métodos
de corte e laminação. Na análise do percentual de 13%, ocorreu maior variação no
processo de corte em comparação ao processo de laminação. A Figura 4.13 ilustra
os valores referentes à velocidade de corte 17.5 m/min.
Figura 4.13 – Comparação entre os processos de corte e laminação para velocidade de corte
17.5 m/min.
Fonte: autoria própria.
Na análise da velocidade de 30.0 m/min., o processo por corte manteve-se
estável, com uma variabilidade no torque entre 8.5 Nm e 7.7 Nm. Na laminação,
para os índices de 10% e 13% de concentração de fluido, é possível considerar que
não houve variação significativa. Esses valores, por sua vez, encontram-se com
índices menores de torque, sendo comparados ao percentual de 5% de lubrificante.
Consta na Figura 4.14 a análise gráfica comparativa entre os processos de corte e
laminação para especificação de 30.0 m/min.
80
Figura 4.14 – Comparação entre os processos de corte e laminação para velocidade de corte
30.0 m/min.
Fonte: autoria própria.
E para finalizar a avaliação por velocidade de corte entre os processos de
usinagem e conformação, na especificação de 39.5 m/min., conclui-se que, em 5%
de concentração de fluido, ambos os métodos obtiveram índices de torque
superiores às demais amostras, sendo que na laminação os estudos apresentaram
variação maior para os percentuais de 10% e 13%. A Figura 4.15 representa a
comparação entre os processos para a especificação de 39.5 m/min.
81
Figura 4.15 – Comparação entre os processos de corte e laminação para velocidade de corte
39.5 m/min.
Fonte: autoria própria.
De acordo com Pereira (2014), na análise de torque nos aços ABNT 1045 e
AISI 4140, os estudos apresentaram a correlação de quanto maior a velocidade de
corte, menor o momento torçor. Esse fato ocorre devido ao aumento da velocidade
que proporciona maior temperatura, em consequência, menor resistência do material.
Na análise de variância do torque para o processo de corte avaliou-se que
temos influência no experimento quando se analisa os percentuais de fluido e a
comparação da velocidade de corte 39.5 m/min. com 17.5 m/min. e 30.0 m/min.
Nesse caso, quanto às duas primeiras velocidades, não há diferença
estatisticamente significativa, e a velocidade de 39.5 m/min. encontra-se com
momento torçor superior aos demais ensaios de fabricação de rosca.
Outro tópico de influência está entre as concentrações de fluido. Nos estudos
estatísticos, o percentual de 5% difere dos índices de 10% e 13%, mantendo-se
superior na comparação dos dados. Na Tabela 4.10, foram obtidos os cálculos
relacionados à análise de variância dos ensaios experimentais.
82
Tabela 4.10 – Análise variância – momento torçor – processo de corte Fatores G.L. MSS Fcalc Fo
SST 4,3887 26 SSFLUIDO 1,37939 2 0,68969 12,867399 3,555 INFLUENCIA SSVELOCIDADE 1,06739 2 0,53369 9,9569514 3,555 INFLUENCIA SSINTERAÇÃO 0,97713 4 0,24428 4,5574903 2,928 INFLUENCIA SSERRO 0,9648 18 0,0536
Contraste das Velocidades Fatores SSC Fcalc ftab
Vc1 - Vc2 0,06969 1,30017 4,41387 não difere Vc1 - Vc3 0,53734 10,025 4,41387 difere Vc2 - Vc3 0,99405 18,5457 4,41387 difere
Contraste dos Fluidos Fatores SSC Fcalc ftab
5%-10% 0,84934 15,8459 4,74723 difere 5%-13% 1,19094 22,219 4,74723 difere 10%-13% 0,0288 0,53731 4,74723 não difere
Fonte: autoria própria.
No que se refere ao momento torçor para o processo de laminação, foi
realizada também a análise de variância para o momento e avaliou-se que há
diferença estatisticamente significativa entre as velocidades de corte 17.5 m/min. e
39.5 m/min. Nesse caso, quanto maior o parâmetro de trabalho analisado, maior o
momento torçor. Na análise dos fluidos, os três percentuais diferem entre si,
considerando que, quanto menor a concentração do fluido, maior o momento torçor
aplicado na fabricação da rosca. Na Tabela 4.11, constam a análise de variância e o
teste de contraste para o estudo relacionado.
83
Tabela 4.11 – Análise variância – momento torçor – processo de laminação Fatores G.L. MSS Fcalc Fo
SST 140,636 26 SSFLUIDO 82,2608 2 41,1304 42,4279 3,555 INFLUENCIA SSVELOCIDADE 7,15756 2 3,57878 3,69168 3,555 INFLUENCIA SSINTERAÇÃO 33,7685 4 8,44214 8,70845 2,928 INFLUENCIA SSERRO 17,4495 18 0,96942
Contraste das Velocidades Fatores SSC fcalc ftab
Vc1 - Vc2 0,45125 0,465485 4,413873 não difere Vc1 - Vc3 6,649089 6,858842 4,413873 difere Vc2 - Vc3 3,636006 3,750708 4,413873 não difere
Contraste dos Fluidos Fatores SSC fcalc ftab
5%-10% 28,40067 29,29661 4,747225 difere 5%-13% 81,36627 83,93307 4,747225 difere 10%-13% 13,6242 14,05399 4,747225 difere
Fonte: autoria própria.
Em comparação aos métodos utilizados, na Figura 4.16 (A) e (B) constam os
gráficos Boxplot para os valores de torque com intuito de avaliar a dispersão e a
simetrias dos dados coletados. Nota-se a variação entre as medianas e os limites
mínimo e máximo para cada conjunto de análise da velocidade de corte.
Figura 4.16 – Gráfico boxplot – valores de torque (Nm) para os processos de corte e de
laminação
39,530,017,5
9,5
9,0
8,5
8,0
7,5
Velocidade
Co
rte
Boxplot of Corte
39,530,017,5
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
Velocidade
La
min
açã
o
Boxplot of Laminação
(A) (B)
Fonte: autoria própria.
84
As Figuras 4.17 (A) e (B) e as Figuras 4.18 (A) e (B), apresentam os gráficos
da probabilidade normal sobre os pontos distribuídos ao longo da reta, atendendo à
validação do modelo análise de variância (ANOVA), e o histograma que representa a
dispersão dos valores de torque, ambos nos processos de corte e laminação.
Figura 4.17 – Gráfico probabilidade normal (A) e histograma (B) – valores de torque (Nm) para
o processo de corte
9,59,08,58,07,57,0
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
Torque
Pe
rce
nt
Mean 8,220
StDev 0,4108
N 27
AD 1,219
P-Value <0,005
Probability Plot of TorqueNormal
9,08,58,07,5
10
8
6
4
2
0
Torque
Fre
qu
en
cy
Mean 8,220
StDev 0,4108
N 27
Histogram of TorqueNormal
(A) (B)
Fonte: autoria própria.
Figura 4.18 – Gráfico probabilidade normal (A) e histograma (B) – valores de torque (Nm) para
o processo de laminação
25,022,520,017,515,0
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
Laminação
Pe
rce
nt
Mean 19,14
StDev 2,326
N 27
AD 0,531
P-Value 0,159
Probability Plot of LaminaçãoNormal
242220181614
5
4
3
2
1
0
Laminação
Fre
qu
en
cy
Mean 19,14
StDev 2,326
N 27
Histogram of LaminaçãoNormal
(A) (B)
Fonte: autoria própria.
Na análise da variância comparativa entre os processos de corte e laminação,
conclui-se que as variáveis de resposta do método de fabricação, os fluidos e a
85
interação entre si influenciaram no momento torçor. Para o estudo da velocidade de
corte e suas interações, não ocorreram influências no comparativo entre os métodos
de usinagem e conformação. Na Tabela 4.12, constam as dados estatísticos
relacionados aos ensaios experimentais.
Tabela 4.12 – Análise Variância, momento torçor – comparação processos de corte e de laminação
Fatores G.L. MSS Fcalc Fo SST 1755,288 53 SSA 1610,263 1 1610,26 670,72 4,113 INFLUENCIA SSB 52,07453 2 26,0373 10,8453 3,259 INFLUENCIA SSC 6,521811 2 3,26091 1,35826 3,259 NÃO INFLUENCIA SSAB 31,56561 2 15,7828 6,57398 3,259 INFLUENCIA SSAC 1,703137 2 0,85157 0,3547 3,259 NÃO INFLUENCIA SSBC 17,71199 4 4,428 1,84438 2,634 NÃO INFLUENCIA SSABC 17,03369 4 4,25842 1,77375 2,634 NÃO INFLUENCIA SSERRO 86,42876 36 2,4008
Fonte: autoria própria.
A partir dos dados apresentados, avaliou-se que a interação entre os
percentuais de fluidos nos ensaios experimentais possuem influência significativa no
processo de formação do filete de rosca. Para determinar o menor esforço de torque
para a formação da rosca, foi realizado o teste de contraste, conforme a Tabela 4.13,
para melhor combinação e especificação utilizada.
Tabela 4.13 – Teste de contraste – momento torçor – processo de corte e de laminação Fatores SSC Fcalc ftab
Corte 10% / Corte 13% 0,0288 0,012 4,11317 não difere Corte 5% / Corte 13% 1,190939 0,49606 4,11317 não difere Corte 13% / Laminação 5% 374,4672 155,976 4,11317 difere
Fonte: autoria própria.
Diante dos resultados, o processo de corte proporciona menor esforço para a
fabricação do perfil de rosca. Porém, dentre os percentuais de fluidos analisados,
estes não diferem, ou seja, não há diferença estatisticamente significativa. Com o
objetivo de confirmar a diferença entre os métodos estudados, foram realizados o
teste de contraste para o processo de corte com percentual de fluido a 13% e o
86
processo de laminação a 5% de concentração de fluido; estes diferem entre si.
Outro tópico importante na análise de aquisição de dados é o momento torçor
(Mz) para o retorno da ferramenta após a formação da rosca. Esse processo pode
ocorrer devido ao erro de sincronismo, consequência da utilização de ferramenta
com desgaste, ou a condição de material aderido aumentando o atrito e os esforços
mecânicos (PEREIRA, 2014). Para Carvalho (2011), o material, após a formação da
rosca, encrua. Devido à ductilidade, ocorre a recuperação elástica quando retirados
os esforços de deformação. E, diante disso, o material que fica aderido à ferramenta
proporciona maior força de retorno da ferramenta.
Referente à análise comparativa dos valores de torque para o retorno da
ferramenta entre os processos do experimento, é possível afirmar que no método
por corte não se encontram variações significativas entre as variáveis de resposta.
Já no método de laminação, notaram-se índices maiores para a especificação de
17.5 m/min.; ou seja, quanto maior a velocidade de corte, menor o torque gerado no
processo. Na Figura 4.19, identifica-se o torque gerado a partir do retorno da
ferramenta para os processos de corte e de laminação.
Figura 4.19 – Valores de torque retorno da ferramenta de roscar – comparação entre os
processos de corte e de laminação
Fonte: autoria própria.
87
De acordo com o gráfico anterior, conclui-se, neste experimento, que o
método por corte possui índices menores em comparação à laminação e também
maior linearidade entre os dados nos percentuais de lubrificação.
Após as informações do momento torçor (Mz) para o retorno da ferramenta,
no próximo tópico serão apresentados os dados relativos à análise da força axial nos
ensaios experimentais com os métodos de corte e laminação.
4.2.2 Força Axial (Fz)
Neste tópico, será abordada a força axial máxima relacionada à aquisição dos
dados na formação dos filetes de rosca. Na Figura 4.20, identificou-se que no
processo de laminação os valores relacionados ao esforço axial mantêm índices
superiores em comparação ao processo por corte. Isso ocorre devido à força
necessária de aplicação da ferramenta para a conformação do material.
Figura 4.20 – Força axial máxima (N) – comparativo entre os processos de corte e de
laminação
Fonte: autoria própria.
88
No que se refere aos estudos estatísticos de análise de variância, é possível
afirmar que, para o experimento realizado no processo de corte, não houve
influência dos parâmetros estabelecidos nas variáveis de resposta e teste de
contraste (Tabela 4.14). Já na laminação, os dados indicaram que as velocidades de
corte e o percentual de fluido possuem influência nos resultados de torque conforme
a Tabela 4.15.
Tabela 4.14 – Análise variância – força axial – processo de corte Fatores G.L. MSS Fcalc Fo
SST 21686 26 SSFLUIDO 2382,1 2 1191,05 1,79833 3,555 NÃO INFLUENCIA SSVELOCIDADE 2261,03 2 1130,52 1,70693 3,555 NÃO INFLUENCIA SSINTERAÇÃO 5121,29 4 1280,32 1,93312 2,928 NÃO INFLUENCIA SSERRO 11921,6 18 662,309
Contraste das Velocidades Fatores SSC fcalc ftab
Vc1 - Vc2 17,1405 0,02588 4,41387 não difere Vc1 - Vc3 1857,04 2,80389 4,41387 não difere Vc2 - Vc3 1517,36 2,29102 4,41387 não difere
Contraste dos Fluidos Fatores SSC fcalc ftab
5%-10% 2349,89 3,54803 4,74723 não difere 5%-13% 373,373 0,56374 4,74723 não difere 10%-13% 849,888 1,28322 4,74723 não difere
Fonte: autoria própria.
Tabela 4.15 – Análise variância – força axial – processo de laminação Fatores G.L. MSS Fcalc Fo
SST 32386,7 26 SSFLUÍDO 3673,67 2 1836,84 4,39039 3,555 INFLUENCIA SSVELOCIDADE 10712,3 2 5356,13 12,8022 3,555 INFLUENCIA SSINTERAÇÃO 10470 4 2617,5 6,25634 2,928 INFLUENCIA SSERRO 7530,77 18 418,376
Fonte: autoria própria.
89
Nos testes de contraste para a velocidade de corte, as três interações entre
elas diferem, sendo que, quanto maior a velocidade, menor a força aplicada. Para o
contraste dos fluidos, apenas a interação entre os percentuais de 5% e 13% de
lubrificante não demonstrou diferença estatisticamente significativa. Nesse caso,
para o percentual de 10%, obtiveram-se menores valores de força axial aplicada
para os testes de contraste conforme a Tabela 4.16.
Tabela 4.16 – Teste de Contraste das velocidades e fluidos – força axial – processo de laminação
Contraste das Velocidades Fatores SSC fcalc ftab
Vc1 - Vc2 2510,33 6,00018 4,41387 difere Vc1 - Vc3 10708,7 25,5958 4,41387 difere Vc2 - Vc3 2849,37 6,81054 4,41387 difere
Contraste dos Fluidos Fatores SSC fcalc ftab
5%-10% 3050,59 7,29149 4,74723 difere 5%-13% 35,9835 0,08601 4,74723 não difere 10%-13% 2423,94 5,79367 4,74723 difere
Fonte: autoria própria.
Na análise de dispersão das amostras, gráfico Boxplot, Figura 4.21, os
valores entre os métodos corte e laminação apresentam variações similares em
comparação à velocidade de corte, com a mediana calculada em 30.0 m/min. menor.
Figura 4.21 – Gráfico boxplot – valores de força axial (N) para os processos de corte e de
laminação
39,530,017,5
140
120
100
80
60
40
20
Velocidade
F. A
xia
l C
ort
e
Boxplot of F. Axial Corte
39,530,017,5
320
300
280
260
240
220
200
180
Velocidade
F. A
xia
l La
min
açã
o
Boxplot of F. Axial Laminação
(A) (B)
Fonte: autoria própria.
90
Quando aplicado o gráfico probabilidade normal e histograma, Figuras 4.22 (A)
e (B), verificou-se a normalidade das amostras em relação à reta. No histograma,
notam-se os conjuntos de valores para os métodos de corte e laminação devido à
dispersão entre eles.
Figura 4.22 – Gráfico probabilidade normal (A) e histograma (B) – valores força axial (N) para
os processos de corte e de laminação
4003002001000
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
Força Axial
Pe
rce
nt
Mean 157,1
StDev 88,14
N 54
AD 1,946
P-Value <0,005
Probability Plot of Força AxialNormal
30024018012060
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Força Axial
Fre
qu
en
cy
Histogram of Força Axial
(A) (B)
Fonte: autoria própria.
De acordo com os dados apresentados para os processos de usinagem e
conformação, na análise de variância, conclui-se, na Tabela 4.17, que existe
influência no tipo de processo e entre a interação deste com a velocidade de corte
para a força axial.
Tabela 4.17 – Análise variância – força axial – comparação processo de corte e de laminação Fatores G.L. MSS Fcalc Fo
SST 411707,7 53 SSA 357635 1 357634,9895 278,456 4,113 INFLUENCIA SSB 5846,968 2 2923,484112 2,27624 3,259 NÃO INFLUENCIA SSC 1989,196 2 994,5978347 0,7744 3,259 NÃO INFLUENCIA SSAB 208,8058 2 104,402881 0,08129 3,259 NÃO INFLUENCIA SSAC 10984,09 2 5492,043753 4,27613 3,259 INFLUENCIA SSBC 11510,6 4 2877,649106 2,24055 2,634 NÃO INFLUENCIA SSABC 4080,712 4 1020,177932 0,79432 2,634 NÃO INFLUENCIA SSERRO 46236,54 36 1284,348458
Fonte: autoria própria.
91
Diante da influência na interação dos processos, na Tabela 4.18, foi realizado
o teste de contraste nas velocidades no método de usinagem e também em
comparação ao método de conformação com objetivo de comparar as igualdades.
Tabela 4.18 – Teste de contraste – força axial – processo de corte e de laminação Contraste Interações
Fatores SSC fcalc ftab Corte 17.5 m/min. / 30.0 m/min. 17,14051 0,01335 4,113165219 não difere
Corte 17.5 m/min. / 39.5 m/min. 1857,045 1,4459 4,113165219 não difere Corte 39.5 m/min. / Laminação 39.5 m/min. 70561,47 54,9395 4,113165219 difere
Fonte: autoria própria.
Constata-se que as especificações no método de corte com as velocidades
estudadas nesta pesquisa não diferiram entre si, ou seja, não há diferença
estatisticamente significativa. Para comprovar que os métodos de usinagem e
conformação se diferem, foi realizado o contraste para o processo de corte a 39.5
m/min. com o processo de laminação a 39.5 m/min. Portanto, ao utilizar as
velocidades mencionadas no método de corte, proporciona-se menor esforço na
força axial para a formação da rosca.
Após as citações técnicas da força axial aplicada na formação da rosca, no
próximo tópico, será analisada a força de tração com os dados relacionados ao
experimento e os estudos estatísticos correspondentes.
4.2.3 Força de Tração (KN)
Os testes experimentais para avaliar a força de tração foram realizados no
equipamento de laboratório marca EMIC, com dispositivos em sua base e parafusos
de material ABNT 5140 (tensão de escoamento na tração – 620 MPa) para fixação
das amostras. Os estudos foram realizados com aleatoriedade das amostras e troca
periódica dos parafusos para que a deformação do ensaio anterior não influenciasse
no experimento posterior.
92
No que se refere à análise de variância comparativa no processo de corte
com as variáveis de resposta parâmetros de velocidades e percentual de
concentração de fluido, notou-se que, para as especificações mencionadas no
experimento, não ocorreram influência na força de tração estudada. Na Tabela 4.19,
visualizam-se os dados estatísticos para a força de tração, método de formação de
rosca por corte.
Tabela 4.19 – Análise variância – força de tração – processo de corte Fatores G.L. MSS Fcalc Fo
SST 192,543 26 SSFLUIDO 34,8793 2 17,4397 2,8057 3,555 NÃO INFLUENCIA SSVELOCIDADE 0,20216 2 0,10108 0,01626 3,555 NÃO INFLUENCIA SSINTERAÇÃO 45,5778 4 11,3944 1,83315 2,928 NÃO INFLUENCIA SSERRO 111,884 18 6,21579
Fonte: autoria própria.
Para o método de laminação, a análise de variância apresentou que os
percentuais de fluido e as velocidades de corte não influenciam no estudo, sendo
que não há diferença estatisticamente significativa nas avaliações de contraste. A
Tabela 4.20 detalha a análise da variância para o processo de conformação.
Tabela 4.20 – Análise variância – força de tração – processo de laminação Fatores G.L. MSS Fcalc Fo
SST 339,62 26 SSFLUIDO 48,5693 2 24,2847 2,069 3,555 NÃO INFLUENCIA SSVELOCIDADE 14,5941 2 7,29707 0,62169 3,555 NÃO INFLUENCIA SSINTERAÇÃO 65,1834 4 16,2958 1,38837 2,928 NÃO INFLUENCIA SSERRO 211,273 18 11,7374
Fonte: autoria própria.
Na força de tração, verificou-se que a variação da velocidade de corte e o
percentual de fluido não influenciaram nos resultados do estudo. Para a análise de
dispersão das amostras, as Figuras 4.23 (A) e (B) apresentam os gráficos Boxplot
para a força de tração nos processos corte e laminação, respectivamente. Nota-se
que a variação entre as medianas na laminação foi menor, com mínima variação na
velocidade de 30 m/min.
93
Figura 4.23 – Gráfico boxplot – valores de tração (KN) para os processos de corte e de
laminação
39,530,017,5
42,5
40,0
37,5
35,0
32,5
30,0
Velocidade
Tra
çã
o C
ort
e
Boxplot of Tração Corte
39,530,017,5
45
40
35
30
25
20
Velocidade
Tra
çã
o L
am
ina
çã
o
Boxplot of Tração Laminação
(A) (B)
Fonte: autoria própria.
Estabelecendo uma análise comparativa entre os processos de corte e
laminação, visualiza-se, na Figura 4.24, que as especificações no método de corte
possuem índices médios da força ou carga de ruptura superior ao encontrado no
método de laminação para os mesmos parâmetros de velocidade.
Figura 4.24 – Análise comparativa da força de tração entre os processos de corte e de
laminação
Fonte: autoria própria.
94
Observou-se que, para o método de corte, a carga média manteve-se estável
dentro das variações de velocidade e, na laminação, o parâmetro de 30 m/min.
esteve abaixo das especificações de 17.5 m/min. e 39.5 m/min.
Nas Figuras 4.25 (A) e (B), estão representados, respectivamente, o gráfico
da probabilidade normal e o histograma para os métodos de corte e laminação.
Notam-se os valores indicados próximos à linha reta atendendo à condição de
normalidade do estudo análise de variância. No histograma, visualiza-se a curva
normal aplicada sobre os dados de carga de tração.
Figura 4.25 – Gráfico probabilidade normal (A) e histograma (B) – valores força de tração (KN)
para os processos de corte e de laminação
454035302520
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
Tração
Pe
rce
nt
Mean 33,81
StDev 3,493
N 54
AD 0,607
P-Value 0,109
Probability Plot of TraçãoNormal
40353025
25
20
15
10
5
0
Tração
Fre
qu
en
cy
Mean 33,81
StDev 3,493
N 54
Histogram of TraçãoNormal
(A) (B)
Fonte: autoria própria.
Em comparação aos dados estatísticos nos métodos de usinagem e
conformação estudados nesta pesquisa, foi realizada a análise de variância nas
variáveis da velocidade de corte, do percentual do fluido lubrificante e da interação
entre eles. Diante dos resultados, é possível afirmar que apenas para o tipo de
processo ocorre influência na força de tração. Na Tabela 4.21, identificam-se os
dados estatísticos relacionados à análise variância.
95
Tabela 4.21 – Análise variância – força de tração – processos de corte e de laminação Fatores G.L. MSS Fcalc Fo
SST 646,8319 53 SSA 114,6688 1 114,66882 8,71409 4,113 INFLUENCIA SSB 52,64358 2 26,321791 2,00029 3,259 NÃO INFLUENCIA SSC 5,795159 2 2,8975796 0,2202 3,259 NÃO INFLUENCIA SSAB 30,80508 2 15,402539 1,17049 3,259 NÃO INFLUENCIA SSAC 9,001144 2 4,5005722 0,34201 3,259 NÃO INFLUENCIA SSBC 89,50159 4 22,375396 1,70039 2,634 NÃO INFLUENCIA SSABC 21,25958 4 5,3148944 0,4039 2,634 NÃO INFLUENCIA SSERRO 473,7244 36 13,159011
Fonte: autoria própria.
De acordo com o resultado apresentado, foi realizado o teste de contraste,
conforme a Tabela 4.22, com objetivo de certificar a diferença entre os métodos
estudados para a força de tração.
Tabela 4.22 – Teste de contraste – força tração – processo de corte e de laminação Contraste Interações
Fatores SSC fcalc ftab Corte / Laminação 344,0065 26,1423 4,1131652 difere
Fonte: autoria própria.
A partir dos estudos apresentados, verificou-se que o melhor processo para
se obter maior carga de tração foi identificado no método por corte, considerados as
especificações de velocidade e o percentual de fluido da pesquisa estudada. Diante
dos resultados, verificou-se que este experimento apresentou dados semelhantes a
outros estudos (CARVALHO, 2011), no que se refere aos valores de momento torçor
e força axial superiores no processo de laminação em comparação ao corte. Porém,
a variável força de tração não demonstrou a superioridade esperada na laminação,
resultado encontrado por Pereira (2014).
Quanto à análise de microdureza das amostras nos processos da pesquisa,
foram dimensionadas quatro amostras representadas na Tabela 4.23.
96
Tabela 4.23 – Análise microdureza amostras processos de corte e laminação
Processo Amostra Microdureza (HB)
Corte 25 162
Corte 14 171
Laminação 09 216
Laminação 11 214 Fonte: autoria própria.
É possível confirmar, com os dados apresentados, que a laminação
proporciona, com o processo de conformação, maior microdureza superficial no perfil
laminado.
Portanto, diante do material apresentado, no próximo capítulo serão
apresentados os tópicos conclusivos dos ensaios experimentais e as propostas para
prosseguimento de novos estudos técnicos relacionados aos métodos de usinagem
e conformação.
97
98
CAPÍTULO 5
CONCLUSÃO
De acordo com os ensaios realizados e as avaliações dos dados e métodos
estatísticos, é possível concluir que:
- no processo de laminação, pode-se constatar que os resultados de microdureza
correspondem aos maiores valores em relação ao processo de roscamento devido à
sua estrutura de conformação e maior tensão compressiva;
- o momento torçor e a força axial foram estatisticamente superiores no processo de
laminação, considerando as variáveis de resposta de velocidade de corte e o
percentual de fluido lubrificante;
- a análise de variância do momento torçor método por corte apresentou,
estatisticamente, influência da velocidade do experimento e do percentual do
lubrificante. Neste caso, conclui-se que a utilização de 5% de concentração de
lubrificante interfere nos resultados, proporcionando maior torque nos ensaios
experimentais;
- a concentração de fluido de 10% e 13% proporcionou aquisição de dados de
torque inferiores ao percentual de 5% em ambos os métodos do experimento. Diante
disso, conclui-se que o processo de lubrificação teve influência direta no momento
torçor;
- pela análise de variância, conclui-se que, para o momento torçor e a força de
tração, as variáveis de resposta influenciaram diretamente o comportamento do
torque, bem como a velocidade de corte e também o percentual de fluido lubrificante;
99
- pela análise de variância, no processo de corte e laminação, apenas o percentual
de concentração de fluido entre 5% e 10% diferiu e interferiu diretamente nos
experimentos;
- os valores de retorno da ferramenta no processo de laminação, após a formação
da rosca, foram superiores ao processo de corte.
- no método de corte, com as especificações de velocidade e de percentual de fluido
desta pesquisa, obteve-se maior força de tração;
- conclui-se também que, no processo de corte, com maiores parâmetros de
velocidade e de percentuais de concentração de fluido, obtiveram-se menor força
axial e momento torçor na formação da rosca; em consequência, melhor utilização
de equipamento, menor consumo de energia e maior vida de utilização da
ferramenta.
100
SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS TRABALHOS
A partir dos resultados obtidos neste experimento, seguem as sugestões de
possíveis novos estudos para proporcionar o detalhamento técnico no assunto
referido:
- estudo técnico com outros fluidos lubrificantes e percentuais de concentração. A
influência destes nas variáveis de resposta;
- análise de desgaste das ferramentas broca e macho laminador. Influência do
diâmetro menor nos dados de torque e força axial;
- avaliação do comportamento do torque e força axial para maior variabilidade de
dimensionais de roscas;
- dimensionamento e estudos sobre a altura do filete na formação da rosca;
- estudos de outros materiais para verificar o comportamento das variáveis de
resposta nos esforços relativos ao roscamento;
- estudos com velocidades de corte diferentes para os processos de usinagem e
conformação.
101
102
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