estudo dos processos de roscamento por laminação e usinagem na

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA

MECÂNICA

Diogo Tubertini Maciel

ESTUDO DOS PROCESSOS DE ROSCAMENTO POR

LAMINAÇÃO E USINAGEM NA LIGA DE TITÂNIO

TI-6AL-4V

São João del-Rei, 2013

Diogo Tubertini Maciel



TI-6AL-4V

Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da

Universidade Federal de São João del-Rei como

requisito para a obtenção do título de Mestre em

Engenharia Mecânica

Área de Concentração: Materiais e Processos de

Fabricação

Orientador: Prof. Dr. Lincoln Cardoso Brandão

São João del-Rei, 2013

Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca da UFSJ

Maciel, Diogo Tubertini

M152e Estudo dos processos de roscamento por laminação e usinagem na liga de titânio Ti-6AI-

4V[manuscrito] / Diogo Tubertini Maciel . – 2013.

82f. ; il.

Orientador: Lincoln Cardoso Brandão

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de

Engenharia

Mecânica.

Referências: f. 83-89.

1. Ligas de titânio - Teses. 2. Roscas – engenharia mecânica - Teses. 3. Titânio – ligas -

Teses. I. Brandão, Lincoln Cardoso (orientador) II. Universidade Federal de São João Del- Rei.

Departamento de Engenharia Mecânica. III. Título

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA

MECÂNICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO



TI-6AL-4V

São João del-Rei, 18 de março de 2013

Dedico este trabalho aos meus pais, Jorge e Celeida, à minha esposa Eliza e à minha família.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, primeiramente, pois a ele todo poder e toda glória, por estar sempre

presente em minha vida e pela capacidade de sempre buscar novos conhecimentos.

Aos meus eternos professores, Jorge Alberto Maciel e Jorge Maciel, por todo

conhecimento transmitido ao professor.

À minha mãe, Celeida. Sem você, isto não seria possível.

Ao professor Dr. Lincoln Cardoso Brandão, pela oportunidade e paciência e todo

conhecimento adquirido. Serei sempre grato a você.

Aos professores e amigos da UFSJ, por todo ensinamento e aprendizado ao longo destes

anos. Em especial, ao Camilo, Monica, Alessandra e professor Dr. Frederico.

À minha amada esposa Eliza, pela paciência, carinho, incentivo, apoio e compreensão

em todos os momentos deste trabalho.

Ao meu irmão Rodrigo, pelo apoio e incentivo ao longo deste percurso. O meu muito

obrigado!

A todos os meus familiares, que contribuíram de alguma forma para a realização deste

trabalho.

Ao amigo Sergio, pelo apoio, ajuda e ensinamentos. Muito obrigado! Sem você, este

trabalho não seria o mesmo.

Agradeço muito aos meus colegas de Mestrado. Foi muito bom este caminho e

crescimento junto com todos vocês, em especial aos amigos Caíque, Sandro Silva, Everaldo,

Everton, Vinícius, Rodrigo Borba, Alessandro e Bonato.

A Fundação de Amparo à Pesquisa de Minas Gerais – FAPEMIG pelo apoio financeiro

no projeto de pesquisa APQ-04467-10.

Enfim, agradeço a todos que, de alguma forma, contribuíram direta ou indiretamente

para a realização deste sonho.

Resumo

MACIEL, D.T. Estudo dos processos de roscamento por laminação e usinagem de rosca

na liga de Titânio Ti-6Al-4V. 2013. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de São

João del-Rei, São João del-Rei, 2013.

Este estudo identifica os processos de roscamento externo, usinagem e laminação, suas

variáveis de influência, melhor método de fabricação, limitações de processo, análise de

dureza e perfil de rosca. O foco se deu na laminação de roscas, na liga Titânio Ti-6Al-4V, por

meio de sistema de cabeçote axial três rolos acoplado diretamente à máquina. A liga

selecionada tem grande utilização na área médica, odontológica e aeroespacial. O estudo foi

executado por meio de ensaio experimental em corpo de prova com rosca métrica M12 x

1,5mm e utilizada a ANOVA para comparação dos resultados. O estudo mostrou que, para

uma boa formação da rosca, são necessárias velocidades específicas de deformação que

garantam a inércia de deformação devido ao alto índice de reposição elástica demonstrado

pelo processo de laminação e usinagem. O comportamento dos veios de fabricação do

material se comportou como previsto e pode ser demonstrado por meio de ensaio de dureza e

micrografia, onde ocorreu adensamento dos veios à base da crista.

Palavras-Chave: Roscamento por Conformação, Laminação de Rosca, Liga Ti-6Al-4V,

Rosca em Titânio.

Abstract

MACIEL, D.T. Study of the tapping processes by forming and machining in the Titanium

Ti-6Al-4V alloy. 2013. M.Sc. Thesis (Thesis) – Federal University of São João del-Rei, São

João del-Rei, 2013.

The tapping of titanium alloys is a subject of great interest to researchers/scientists in

academia and industry, especially in the aerospace and biomechanics sector. Nowadays,

almost all industrial products have threaded parts. Threads are manufactured to join

mechanical components, facilitating assembly and disassembly. In some cases, threads are

responsible for transmitting movement with accuracy and efficiency. This study examined

external tapping processes by machining and forming, their variables of influence, the best

methods for the manufacturing processes, the gaps of the processes, and it compared the

hardness of the thread profiles. The main focus was the forming of Ti-6Al-4V titanium alloy

threads using an axial head with 3 rollers mounted directly on the machine tool. The use of

the selected alloy is widespread in the medical, dental and aerospace industries. The study

was carried out using work pieces with metric thread M12x1,5 mm and employed analysis of

variance to compare results. The study showed that for a good forming of the thread specific

velocities are needed, guaranteeing the inertia of deformation. This occurred due to the high

elastic recovery rate that was observed in the forming and machining processes. The behavior

of the grains of the material was proven to be differentiated being verified in the tests of

hardness and micrograph that occurred the hardening of grains in the base of the thread.

Key-words: Forming tapping, Threads, Ti-6Al-4V Titanium alloy, Hardening.

Lista de Figuras

Figura 2-1- Esquema representativo da alotropia do titânio. .............................................. 7

Figura 2-2 - Diagrama de fase do titânio e do oxigênio. ........................................................ 9

Figura 2-3 - Diagrama de fases do titânio. ........................................................................... 11

Figura 2-4 - Composição das ligas de titânio. ...................................................................... 12

Figura 2-5 - Diagrama de fases parcial da liga Ti-6Al-4V. ................................................. 15

Figura 2-6 - Interação entre o titânio e os fluidos corporais. ............................................. 17

Figura 2-7 - Formação da camada de dióxido de titânio e hidroxiapatita sobre

biomaterial à base de titânio. ................................................................................................. 18

Figura 2-8 - Movimentos relativos entre a peça e ferramenta. .......................................... 19

Figura 2-9 - Torneamento de superfícies cilíndricas externas e internas. ......................... 20

Figura 2-10 - Torneamento de superfícies cônicas externas e internas. ............................ 20

Figura 2-11 - Roscar superfícies externas e internas........................................................... 20

Figura 2-12 - Perfilar superfícies. ......................................................................................... 20

Figura 2-13 - Sistema de fresamento..................................................................................... 21

Figura 2-14 - Exemplo de rosca externa. .............................................................................. 22

Figura 2-15 - Porca e Parafuso. ............................................................................................. 23

Figura 2-16 - Tipos de filetes e aplicação. ............................................................................. 23

Figura 2-17 - Dimensões básicas da rosca ISO. ................................................................... 24

Figura 2-18 - Demonstrativo de jogo de macho manual. .................................................... 25

Figura 2-19 - Demonstração de filetes do jogo de macho três peças. ................................. 25

Figura 2-20 - Tipos de macho máquina. ............................................................................... 26

Figura 2-21 - Detalhe do processo de fresamento de roscas: (a) Fresamento com aresta

monocortante, (b) Fresamento com arestas multicortante e (c) Fresamento com

ferramenta circular helicoidal. .............................................................................................. 27

Figura 2-22 - Processo de roscamento externo. ................................................................... 27

Figura 2-23 - Cossinete ou tarraxa com sistema fechado.................................................... 28

Figura 2-24 - Cossinete ou tarraxa com sistema de regulagem da folga; ou seja, aberto.

.................................................................................................................................................. 28

Figura 2-25 - Porta-cossinete ou desandador. ...................................................................... 29

Figura 2-26 - Cossinete manual bipartido. ........................................................................... 29

Figura 2-27 - Cabeçote de pentes expansível. ...................................................................... 30

Figura 2-28 - Mudanças na microestrutura causadas pela laminação. ............................ 31

Figura 2-29 - Exemplos de Machos Laminadores. .............................................................. 31

Figura 2-30 - Tipos de sistemas de laminação de rosca em máquinas operatrizes. ......... 33

Figura 2-31 - Laminação de roscas com encosto plano. ..................................................... 34

Figura 2-32 - Máquina laminadora de rosca. ...................................................................... 35

Figura 2-33 - Laminação de roscas com um cilindro de roscamento e um segmento de

apoio. ....................................................................................................................................... 35

Figura 3-1 - Microestrutura da liga Ti-6Al-4V (MEV com ampliação de 250x).............. 38

Figura 3-2 - Torno CNC sinitron BNC 2260X. ................................................................... 39

Figura 3-3 - Suporte e inserto intercambiável fixado na torre da máquina. .................... 39

Figura 3-4 - Cabeçote Laminador Fette modelo F2. ........................................................... 40

Figura 3-5 - Micrômetro Externo Digimess com intervalo de medição de 0-25mm. ....... 40

Figura 3-6 - Sistema de medição ótico. ................................................................................. 40

Figura 3-7 - Microscópio eletrônico de varredura HITACHI modelo TM3000. ............. 41

Figura 3-8 - Microscópio ótico Olympus.............................................................................. 41

Figura 3-9 - Microdurômetro. ............................................................................................... 42

Figura 3-10 - Demonstrativo de corpo de prova. ................................................................ 42

Figura 3-11 - Comando Fanuc 0i. ......................................................................................... 43

Figura 3-12 - Detalhe do processo de roscamento por usinagem. ..................................... 44

Figura 3-13 - Sistema de laminação de rosca axial. ............................................................ 45

Figura 3-14 - Detalhe da medição da altura do filete.......................................................... 46

Figura 3-15 - Esquema da medição no início, meio e fim das roscas. ............................... 47

Figura 3-16 - Modelo Geral de um processo ou sistema. .................................................... 48

Figura 3-17 - Espaço 3-Dimensional do Planejamento Experimental. Alguns DOE são

muito bem estruturados, enquanto outros são apenas uma nuvem de pontos. A escolha

do método estatístico depende do número de amostras e do tipo de investigação. .......... 53

Figura 3-18 - Posição de medição da microdureza. ............................................................ 55

Figura 4-1 - Resíduos para a média do diâmetro interno do perfil de rosca conformado:

(A) Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)

Resíduos versus ordem dos dados. ........................................................................................ 58

Figura 4-2 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para o diâmetro do perfil de

rosca conformado. .................................................................................................................. 59

Figura 4-3 - Interação para a variável resposta diâmetro do perfil da rosca conformado.

.................................................................................................................................................. 61

Figura 4-4 - Resíduos para a média do diâmetro do perfil de rosca conformado: (A)

Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)



rosca conformado. .................................................................................................................. 64

Figura 4-6 - Efeito principal do fator velocidade de deformação ...................................... 64

Figura 4-7 - Efeito principal do fator posição de medição .................................................. 65

Figura 4-8 - Efeito principal do fator diâmetro sobre altura do filete H. ......................... 66

Figura 4-9 - Resíduos para a média do diâmetro externo do perfil de rosca usinada: (A)



Figura 4-10 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para validação do modelo da

análise de variância – diâmetro externo do perfil usinado. ................................................ 68

Figura 4-11 - Efeito principal do fator velocidade de usinagem sobre o diâmetro externo

do perfil de rosca usinado. ..................................................................................................... 69

Figura 4-12 - Gráfico de efeito principal do fator experimental posição de medição. ..... 69

Figura 4-13 - Resíduos para a média da altura do filete H rosca usinada: (A)




análise de variância – altura do filete H rosca usinada. ...................................................... 71

Figura 4-15 - Efeitos principais da velocidade de corte sobre a média ............................. 72





análise de variância – microindentação rosca conformada. ............................................... 74

Figura 4-18 - Interação velocidade de deformação x diâmetro inicial para a média da

microindentação. .................................................................................................................... 75

Figura 4-19 - Interação velocidade de deformação x posição de medição para a média

das microindentações. ............................................................................................................ 76





análise de variância – microindentação rosca usinada. ...................................................... 78

Figura 4-22 - Efeito principal da posição de medição sobre a média das microdurezas. 79

Figura 4-23 - Fotografia de microscópio ótico amostra conformada. ............................... 80

Figura 4-24 - Fotografia de microscópio ótico amostra usinada. ...................................... 80

Lista de Tabelas

Tabela 2-1 - Propriedades físicas e químicas do titânio. ....................................................... 7

Tabela 2-2 - Teores da composição do Ti pela norma ASTM F67. .................................... 10

Tabela 2-3 - Classificação ASTM do titânio e suas ligas. .................................................... 14

Tabela 2-4 - Composição química da liga Ti-6Al-4V. ......................................................... 16

Tabela 3-1 - Dimensões básicas para rosca M12. ................................................................ 37

Tabela 3-2 - Composição química da Liga Ti-6Al-4V utilizada nos experimentos. ......... 38

Tabela 3-3 - Parâmetros experimentais do processo de roscamento por usinagem. ........ 44

Tabela 3-4 - Dimensões para laminação de rosca M12. ...................................................... 45

Tabela 3-5 - Parâmetros experimentais do processo de roscamento por conformação. .. 46

Tabela 3-6 - Arranjo experimental do planejamento fatorial completo 3³ para o processo

de roscamento por conformação. .......................................................................................... 51

Tabela 3-7 - Arranjo experimental do planejamento fatorial completo 3² para o processo

de roscamento por usinagem. ................................................................................................ 52

Tabela 3-8 - Parâmetros para microindentação. ................................................................. 54

Tabela 3-9 - Parâmetros para microindentação para o processo de roscamento por

usinagem. ................................................................................................................................. 55

Tabela 4-1 - Dados de medição rosca conformada. ............................................................. 57

Tabela 4-2 - Análise de variância para o diâmetro do perfil de rosca conformado. ........ 60

Tabela 4-3 - Análise de variância para a altura do filete H. ............................................... 62

Tabela 4-4 - Dados de medição rosca usinada. .................................................................... 66

Tabela 4-5 - Análise de variância para o diâmetro externo do perfil de rosca usinado. .. 67

Tabela 4-6 - Análise de variância para a altura do filete H. ............................................... 70

Tabela 4-7 - Análise de variância para a média das microindentações. ............................ 73

Tabela 4-8 - Análise de variância para a média das microindentações. ............................ 77

Lista de Abreviaturas e Siglas

ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas

Adm = Adimensional

AISI = American Iron and Steel Institute (Instituto Americano de Ferro e Aço)

ANOVA = Análise de Variância

ap = Profundidade de usinagem da ferramenta [mm]

d1 = Diâmetro interno da rosca [mm]

d2 = Diâmetro da haste de fixação [mm]

DOE = Design of Experiment (Delineamento de Experimento)

HB = Dureza Rockell na escala B

ISO = International Organization for Standardization (Organização Internacional para

Padronização)

MEV = Microscópio Eletrônico de Varredura

P-valor = Probabilidade que a amostra pode ser retirada de uma população

Sumário

CAPÍTULO 1 .................................................................................................................... 1

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 1

CAPÍTULO 2 .................................................................................................................... 5

2 REVISÃO DA LITERATURA ................................................................................ 5

2.1 Titânio ...................................................................................................................... 5

2.1.1 Histórico ........................................................................................................ 5

2.1.2 Microestrutura ............................................................................................... 6

2.1.3 Titânio comercialmente puro ........................................................................ 9

2.1.4 Ligas de titânio ............................................................................................ 10

2.1.5 Ti-6Al-4V .................................................................................................... 15

2.1.6 Propriedades e aplicações do titânio e suas ligas ........................................ 17

2.2 Fabricação mecânica .............................................................................................. 18

2.2.1 Torneamento................................................................................................ 19

2.2.2 Fresamento .................................................................................................. 20

2.3 Processos de roscamento ........................................................................................ 21

2.3.1 Roscas.......................................................................................................... 22

2.3.2 Nomenclatura e dimensionamento de roscas .............................................. 24

2.3.3 Usinagem de roscas ..................................................................................... 25

2.3.4 Laminação de roscas ................................................................................... 30

CAPÍTULO 3 .................................................................................................................. 37

3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 37

3.1 A rosca.................................................................................................................... 37

3.2 O Material .............................................................................................................. 38

3.3 Máquinas e Equipamentos ..................................................................................... 38

3.4 Corpo de Prova ....................................................................................................... 42

3.5 Descritivo ............................................................................................................... 43

3.6 Experimento ........................................................................................................... 47

CAPÍTULO 4 .................................................................................................................. 57

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................... 57

4.1 Roscamento por conformação ................................................................................ 57

4.1.1 Diâmetro do Perfil de rosca conformada. .................................................... 58

4.1.2 Diferença de altura do filete de rosca (H) ................................................... 62

4.2 Roscamento por usinagem ..................................................................................... 66

4.2.1 Diâmetro externo do Perfil de rosca usinado .............................................. 66

4.2.2 Altura do filete H ........................................................................................ 70

4.3 Microindentação no roscamento por conformação ................................................ 72

4.4 Microindentação no roscamento por usinagem ..................................................... 76

4.5 Análise da microestrutura ...................................................................................... 79

CAPÍTULO 5 ................................................................................................................. 81

5 CONCLUSÕES ..................................................................................................... 81

REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 83

1

CAPÍTULO 1

1 INTRODUÇÃO

O roscamento das ligas de titânio é um tópico de grande interesse de

pesquisadores/cientistas dos setores acadêmico e industrial, principalmente aqueles das áreas

aeroespacial e biomecânica. Hoje, dificilmente, existe produto industrial que não tenha uma

parte roscada. As roscas, em sua maioria, são fabricadas para unir componentes mecânicos,

facilitando montagens e desmontagens. Em alguns casos, apresentam-se como responsáveis

pela transmissão de movimentos com precisão e potência.

O titânio e suas ligas são materiais não-ferrosos aplicados com frequência na produção

de componentes de turbinas, tais como: eixos, discos e palhetas, e na fuselagem de aviões

devido ao baixo peso, à elevada resistência mecânica e à excelente resistência à corrosão. As

ligas de titânio são ainda utilizadas em ambientes onde as temperaturas podem variar de 600

ºC a abaixo de 0 ºC. Todas as ligas de materiais metálicos não-ferrosos têm enorme potencial

para a produção de roscas usinadas e conformadas. Por isso, a elevada ductibilidade dessas

ligas proporciona a produção de roscas conformadas com a mesma qualidade das roscas

usinadas.

A Ti-6Al-4V é a liga mais comum na indústria aeroespacial, em especial a aeronáutica,

sendo também utilizada nas indústrias naval, petroquímica e química e na biomedicina. Em

estruturas de fuselagem de avião, as ligas de titânio operam em temperaturas acima de 130 ºC,

valor máximo para trabalhos das ligas de alumínio. Entretanto, outras características inerentes

a ligas de titânio, tais como: tendência de reagir quimicamente com a maioria dos materiais de

ferramentas de corte a temperaturas superiores a 500 ºC, formação de cavacos segmentados,

grande tendência de encruamento durante a usinagem, baixo módulo de elasticidade e baixa

condutividade térmica (37 e 86% menor que a condutividade térmica da liga de níquel Inconel

718 e aço AISI 1045, respectivamente), as caracterizam como sendo materiais de difícil corte

ou de baixa usinabilidade (SILVA et al., 2004). A reduzida área de contato cavaco-

ferramenta, o desenvolvimento de elevadas temperaturas de corte, as elevadas tensões na

ponta da ferramenta e as elevadas forças durante a usinagem das ligas de titânio promovem a

deformação plástica e/ou aceleram o desgaste da ferramenta. Diante desse cenário, as

velocidades de corte têm que ser reduzidas. Em alguns casos, as ferramentas de corte

2

apresentam lascamento e/ou fratura súbita devido à tendência do titânio em soldar-se à ponta

da ferramenta (EZUGWU; WANG, 1997).

Devido à complexidade dos setores produtivos e considerando o número de estações de

trabalho no chão de fábrica ou de processos específicos dentro de cada estação, a inserção de

pequenas modificações em linhas de fabricação pode significar um aumento substancial de

produção que influenciará de forma satisfatória a operacionalização dos custos

(CARVALHO, 2011).

Dentre as operações de roscamento das indústrias metal-mecânicas, pode-se distinguir

duas grandes classes de trabalho com os metais: os processos de usinagem e os processos de

conformação. As operações de usinagem conferem à peça a forma, ou dimensão, ou

acabamento, com a remoção de cavaco, enquanto nos processos de conformação há a

constância do material que passa por alterações em sua forma mediante a deformação plástica.

Esse é um processo ainda pouco usado nas empresas que fabricam componentes roscados e

executam essa operação na própria máquina operatriz. A laminação de roscas tem grande

vantagem sobre processos similares devido ao fato de não produzir cavacos e, por isso, não

necessitar de processos de reciclagem específicos. Entretanto, manuais específicos e conceitos

técnicos com informações precisas sobre esse processo ainda são grandes lacunas para sua

efetiva aplicação em todos os materiais utilizados em produtos manufaturados (CARVALHO,

2011).

Durante o processo de roscamento, ocorrem dois fenômenos simultâneos: uma parte do

material, interna ao filete de rosca, tenta retornar à sua condição inicial devido ao regime

elástico durante a deformação; e outra parcela do material, mais externa, encrua, gerando um

aumento da força de deformação durante o trabalho. Considerando que o material usinado é

um material plástico perfeito, pode haver alguma deformação elástica envolvida no processo.

A temperatura obtida na zona de fluxo e a alta taxa de tensão podem afetar o

comportamento do material durante o corte devido aos elevados valores das taxas de tensão

durante a usinagem, não existindo nenhum modo de testar um material sob tais condições,

pois o comportamento fundamental do material é desconhecido. Entretanto, para a maioria

dos materiais maleáveis durante o corte, pode se considerar uma deformação elástica, que

sugere um contato da superfície usinada com a face lateral da ferramenta. Isso significa que a

ferramenta precisa penetrar em uma profundidade específica dentro do material antes de

começar a cortá-lo, ou seja, existe uma profundidade mínima que dependerá de muitos

fatores, mas, principalmente, das propriedades do material. Para valores menores do que esse

3

mínimo, o material não cortará; será apenas deformado elasticamente (DA SILVA; SOUZA;

DA SILVA, 2011).

Desse modo, considerando todas as peculiaridades e dificuldades encontradas no

roscamento de titânio, a conformação e a usinagem das ligas de titânio, em especial a liga Ti-

6Al-4V, devem possuir propriedades adicionais que venham satisfazer aos requisitos de

resistência a elevadas temperaturas de corte, elevadas tensões e baixa tendência de reagir

quimicamente com baixa taxa de desgaste aos cabeçotes laminadores. A escolha correta da

atmosfera de usinagem, bem como as condições de laminação e usinagem compatíveis com a

operação em questão são fatores que devem ser levados em conta.

5

CAPÍTULO 2

2 REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Titânio

2.1.1 Histórico

O titânio puro é o quarto metal estrutural mais abundante na litosfera, sendo

encontrando em todas as rochas cristalinas. É considerado um importante elemento de liga em

aços. No entanto, seu custo de extração é elevado devido à sua alta reatividade (NOORT,

1987). De acordo com Froes, Eylon e Bomberger (1985), a energia necessária para a obtenção

de titânio puro é 16 vezes maior que a utilizada para a produção da mesma massa de aço e 1,7

vezes para a de alumínio, já que o titânio puro é um metal branco, brilhante e apresenta baixa

densidade e boa ductilidade em estado sólido.

O elemento titânio foi descoberto em 1791 pelo reverendo inglês William Gregor

quando investigava a areia magnética (“menachanite”) existente em Menachan, na Cornualha,

a qual denominou de “menachin”. Vários anos depois, o químico alemão M. H. Klaploth

redescobriu o elemento, que supunha ser uma terra nova, no rutilo. Nomeou-o do latim Titans:

o primeiro filho da terra e da mitologia grega, filho mitológico do Céu (Uranus) e da Terra

(Gaia), personificações das forças da natureza.

O metal na forma pura só foi produzido em 1910 por Matthew A. Hunter, aquecendo

TiCl4 com sódio à temperatura de 700-800 ºC em ambiente com gás argônio. O TiO2 obtido

pela reação do tetlacloreto de titânio (TiCl4) com água forma uma enorme quantidade de

fumaça branca (BARSKDALE, 1997). Por isso, durante a Primeira Guerra Mundial, o

dióxido de titânio (TiO2) foi utilizado como técnica de camuflagem e ficou conhecido como

cortina de fumaça.

As principais fontes minerais de titânio são a ilmenita (titanato de ferro), contendo de 50

a 70% de TiO2; os concentrados de leucoxeno (até 78% de TiO2); e o rutilo, que contém até

98% de TiO2 (FROES et al., 1985). As maiores reservas do mineral rutilo, uma das fontes

mais viáveis para a obtenção de titânio, estão localizadas na costa leste da Austrália e em

Serra Leoa.

6

2.1.2 Microestrutura

O arranjo estrutural dos átomos está diretamente relacionado com as propriedades dos

materiais. Alguns exemplos de arranjos podem ser citados: estruturas cristalinas, amorfas e

moleculares. A estrutura molecular é constituída de moléculas que podem ser definidas como

sendo um número limitado de átomos fortemente ligados entre si, mas de forma que as forças

de atração entre um molécula e as demais sejam relativamente fracas. Esses agrupamentos

atômicos, que são eletricamente neutros, agem como se fossem uma unidade, pois as atrações

intramoleculares (geralmente ligações covalentes) são fortes, enquanto as intermoleculares

são originadas por forças de Van der Waals (ligações fracas) (MAHAN, 1986).

Muitos dos materiais de interesse estrutural em engenharia apresentam uma estrutura

cristalina. Os metais, grande parte dos cerâmicos e certos polímeros cristalizam-se quando se

solidificam. Já uma substância pode ser considerada cristalina quando os átomos que a

constituem estão dispostos segundo um rede tridimensional bem definida e que se repete de

forma tridimensional por uma grande distância. São sete os sistemas cristalinos que incluem

todos as possíveis geometrias de divisão do espaço por superfícies planas contínuas. Destes,

os de maior importância para os metais são o cúbico e o hexagonal.

Os átomos podem ser agrupados dentro do sistema cúbico em três tipos de retículo:

cúbico simples (CS), cúbico de corpo centrado (CCC) e cúbico de faces centradas (CFC). No

sistema hexagonal, em dois diferentes tipos de retículos: hexagonal simples (HS) e hexagonal

compacto (HC) (VAN VLACK, 1973). Uma das características que fazem do titânio um

material interessante é a possibilidade de transformação alotrópica. O titânio puro apresenta

estrutura cristalina hexagonal compacta (HC), denominada fase (α), em uma faixa de

temperatura que se inicia na temperatura ambiente e vai até 882,5 ºC. Dessa temperatura até

1.672 ºC, o titânio exibe uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), denominada fase β,

conforme Figura 2-1.

7

Figura 2-1- Esquema representativo da alotropia do titânio.

Fonte: Shackelford (2005).

O estado de oxidação mais estável do titânio é +4, existindo compostos com valência +2

ou +3. Ele é classificado como um elemento de transição com o último nível eletrônico

incompleto (1s² 2s² 2p6 3s² 3 p6 4s² 3d²), com grande afinidade atômica pelos elementos

hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio, todos formadores de soluções sólidas intersticiais.

Tabela 2-1 - Propriedades físicas e químicas do titânio.

Propriedades Ti

Número atômico 22

Peso atômico 47,90

Densidade a 20 ºC, g/cm³ 4,43

Volume atômico, cm³ 10,81

Ponto de fusão, ºC 1668

Ponto de ebulição, ºC 3260

Potencial de ionização, eV 6,83

Eletronegatividade 1,6

Potenciais padrões, εº, volts:

M + 2H2O ↔ MO2 + 4H+ + 4e

M ↔ M4+

+ 4e

M ↔ M2+

+ 2e

0,86

1,63

Raio iônico, M4+

0,68

Raio metálico (coordenação 12) 1,47

Fonte: ASTM (1988).

8

O titânio é um elemento muito reativo a altas temperaturas, queimando na presença de

oxigênio; por isso requer um atmosfera inerte para seu processamento. O oxigênio pode se

difundir no titânio, fragilizando o metal. Com isso, pouco reativo em temperatura ambiente, o

titânio aquecido sofre a ação dos elementos não-metálicos e forma compostos estáveis, rígidos

e refratários, como o nitreto (TiN), o carbeto (TiC) e os boretos (TiB e TiB2).

Devido ao fato de o seu diâmetro atômico ser muito pequeno, o hidrogênio apresenta

elevada difusibilidade. Desse modo, é facilmente absorvido pelas estruturas cristalinas,

inclusive em temperaturas baixas. O resfriamento lento de 400 ºC até a temperatura ambiente

favorece a precipitação sob a forma de hidretos de titânio que reduzem significativamente a

tenacidade e a ductilidade. A sua interação com o titânio gera uma simples transformação

eutetoide de fase alfa + hidreto, formada diretamente da fase beta. Assim, um forte efeito

estabilizador sobre o campo da fase beta resulta no decréscimo da temperatura de

transformação da fase alfa para beta de 882 ºC para a temperatura eutetoide de 300 ºC.

A presença de nitrogênio e oxigênio também provoca a redução na tenacidade,

alterando as propriedades mecânicas do metal de transição. Em uma análise molecular,

observa-se a formação de estruturas aciculares, conhecidas como estruturas de

Widmanstätten. Essas estruturas são caracterizadas por um padrão geométrico resultante de

uma nova fase formada em certo plano cristalográfico relativa à estrutura do sólido. A adição

nitrogênio + oxigênio promove a estabilização da fase Ti-α e a formação de um peritético L+α

→ β.

O carbono é outro elemento que favorece a redução da ductilidade e a tenacidade.

Entretanto, em teores de até 0,3%, pode formar carbetos que resultam no aumento da

resistência mecânica.

O hidrogênio, o nitrogênio e o carbono têm grande solubilidade na estrutura hexagonal

compacta (fase α) e na estrutura cúbica de corpo centrado (fase β). Esses elementos formam

uma solução sólida intersticial com o titânio e ajudam a estabilizar a fase α (DONACHIE JR,

1988). Um diagrama de fase parcial de titânio e oxigênio é mostrado na Figura 2-2. O

oxigênio permanece em solução sólida intersticial até o limite de solubilidade,

aproximadamente 33% em peso. Desse modo, o metal apresenta uma única fase.

9

Figura 2-2 - Diagrama de fase do titânio e do oxigênio.

Fonte: Codaro, Vilche e Guastaldi (1994).

Os elementos de transição, tais como molibdênio, nióbio e vanádio, atuam como

estabilizadores da fase β (ZHANG; HENRICH, 1992). Os elementos alumínio e ferro, por

outro lado, são estabilizadores da fase α (NOORT, 1987; WORTHINGTON; LANG;

LAVELLE, 1994).

2.1.3 Titânio comercialmente puro

O titânio comercialmente puro é descrito como fisiologicamente inerte e toxicamente

benigno. Trata-se, na realidade, de uma liga de titânio e oxigênio e apresenta teores de pureza

que estão entre 98 e 99,5%. De acordo com a especificação britânica, para uso em implantes

cirúrgicos, o conteúdo de oxigênio deve ser menor que 0,5%. Nessa forma, a liga tem

estrutura hexagonal compacta em temperatura ambiente. Suas propriedades físicas podem

variar de acordo com a quantidade de impurezas e de elementos residuais ao processo de

purificação, tais como: oxigênio (O), ferro (Fe), nitrogênio (N), carbono (C) e hidrogênio (H)

(PABLER; MANN, 1991). As impurezas determinam a classificação dos quatro tipos de

titânio denominados comercialmente puros (WANG; FENTON, 1996).

A Tabela 2-2 exibe a variação dos teores de nitrogênio, hidrogênio, oxigênio, carbono e

ferro pela norma ASTM F27.

10

Tabela 2-2 - Teores da composição do Ti pela norma ASTM F67.

ASTM F67 – Composição máxima (%) p/p

Categoria

Elementos

Grau 1 Grau 2 Grau 3 Grau 4

Max. Max. Max. Max.

Hidrogênio 0,015

Nitrogênio 0,03 0,03 0,05 0,05

Carbono 0,08

Oxigênio 0,18 0,25 0,35 0,4

Ferro 0,2 0,3 0,3 0,5

Titânio Balanço

Fonte: ASTM (1988).

Elementos como oxigênio, ferro, nitrogênio, carbono e hidrogênio têm maior

solubilidade no sistema hexagonal compacto fase (α) do que no reticulado cúbico de corpo

centrado da fase (β). Esses elementos adicionados ao titânio formam soluções sólidas

intersticiais e ajudam a estabilizar a fase alfa. Entretanto, consideráveis mudanças em algumas

propriedades mecânicas ocorrerão apesar das pequenas frações percentuais de O, Fe, N, C e H

presentes no “titânio puro”. Isso porque esses elementos passam a ocupar áreas dentro do

arranjo cristalino intersticial e causam desalojamento parcial dos átomos de titânio, reduzindo

os eventuais deslizamentos dos átomos quando sujeitos a forças externas, aumentando, dessa

forma, a resistência a possíveis deformações plásticas (WANG; FENTON, 1996).

2.1.4 Ligas de titânio

A cinética de transformação de fases do titânio está diretamente relacionada às

propriedades metalúrgicas e mecânicas do material. Para alterar a temperatura de

transformação de fases, são adicionados ao titânio alguns elementos estabilizadores chamados

alfa e beta, o que pode ser visualizado na Figura 2-3. Os elementos alfa estabilizadores,

quando adicionados, aumentam a temperatura de transformação da fase α para β. Alguns

desses elementos são o alumínio, o gálio e o estanho, e, geralmente, elementos intersticiais

que não fazem parte do grupo de transição, como o hidrogênio, o carbono, o nitrogênio e o

oxigênio. Por outro lado, os elementos estabilizadores beta diminuem a temperatura de

11

transição, como o vanádio, o molibdênio, o cromo, o cobre, o ferro, o nióbio e outros metais

nobres. Assim, a manipulação das fases presentes por meio de adições de elementos de liga e

de tratamentos termomecânicos constitui a base para o desenvolvimento de diversas ligas com

diferentes propriedades (WEISS; SEMIATIN, 1998).

As ligas de titânio em seu estado bruto de fusão exibem grãos beta (β), relativamente

grandes, regiões com finas estruturas lamelares dentro dos grãos e, consequentemente,

modestas propriedades mecânicas (MARKOVSKY, 1995). A aplicação de tratamentos

térmicos rápidos reverte a estrutura das ligas de titânio, causando uma mudança no arranjo das

fases dentro dos grãos beta; portanto, um aumento na resistência mecânica. A quebra da

estrutura bruta de fusão por meio de tratamentos térmicos rápidos, e subsequente aumento de

resistência mecânica, resulta na formação de martensita, proveniente de resfriamentos rápidos

a partir do campo α + β. Manero, Gil e Planell (2000) afirmam que a transformação da

martensita está diretamente ligada a diversas reações que dependem da estrutura martensítica

e da composição química da liga.

Figura 2-3 - Diagrama de fases do titânio.

Fonte: Autoria Própria.

Nas ligas de titânio, entre as regiões que compõem a fase α e a fase β, existe uma região

bifásica chamada (α + β). As ligas são excelentes para aplicações a baixas temperaturas. Além

disso, oferecem nível moderado de resistência mecânica, boa soldabilidade, tenacidade e

resistência à fluência. São ligas não tratáveis termicamente e a morfologia da microestrutura

12

depende da taxa de resfriamento e da composição química. As ligas (α + β) são uma

combinação de fases coexistindo em equilíbrio à temperatura ambiente. Essas ligas podem ter

suas propriedades controladas por tratamentos térmicos, os quais são usados para o ajuste da

microestrutura por meio da fase β. Essa fase pode ficar retida, transformar-se em estruturas

martensíticas, αm, ou transformar-se alotropicamente em α.

Figura 2-4 - Composição das ligas de titânio.


As ligas de titânio alfa são especialmente formadas por titânio puro e ligas com

elementos estabilizadores α, que apresentam apenas fase α à temperatura ambiente. Essas

ligas apresentam alta resistência à fluência e são adequadas para trabalhar a elevadas

temperaturas, uma vez que as fases metaestáveis não se mantêm após o resfriamento a partir

de altas temperaturas, não sendo possíveis grandes modificações na microestrutura e nas

propriedades mecânicas quando tratamentos térmicos a altas temperaturas são realizados.

Como a fase α não está sujeita à transição dúctil-frágil, essas ligas têm um bom

comportamento para tratamentos a temperaturas muito baixas. Em relação às propriedades

mecânicas e metalúrgicas, as ligas α exibem alto módulo de elasticidade, boa tenacidade à

13

fratura e baixa forjabilidade devido à estrutura cristalina do tipo hexagonal compacta

(BALAZIC et al., 2007).

As ligas de titânio beta são obtidas quando grande quantidade de elemento

estabilizador-β é adicionada, diminuindo a temperatura de transformação alotrópica (transição

α/β) do titânio. Ligas de titânio β são muito frágeis em temperaturas criogênicas e não são

adequadas para aplicação em elevadas temperaturas por possuírem baixa resistência à fluência

(BALAZIC et al., 2007).

O desenvolvimento das ligas de titânio tem sido conduzido principalmente pelas

indústrias aeroespaciais e militares devido à sua relação resistência/peso, resistência à

corrosão e fadiga e a preservação das propriedades mecânicas em elevadas temperaturas.

Ligas de titânio apresentam resistência comparável com as ligas de aço, e possuem apenas

60% do valor da densidade do aço inoxidável. A Tabela 2-3 apresenta algumas características

do titânio e suas ligas.

14

Tabela 2-3 - Classificação ASTM do titânio e suas ligas.

Fonte: Melo (2003).

15

2.1.5 Ti-6Al-4V

A presença das fases α + β à temperatura ambiente nas ligas de titânio propicia

propriedades mecânicas superiores em relação ao metal puro. Uma parcela de

aproximadamente 70% da produção mundial das ligas de titânio está dirigida à confecção

dessas ligas, em especial a liga Ti-6Al-4V, que reúne boas propriedades mecânicas e

biocompatibilidade, abarcando enorme área de pesquisas e aplicações, particularmente nos

setores aeroespaciais e médicos.

Com a adição de pequenas quantidades de alumínio (Al) e vanádio (V) ao titânio puro,

obtém-se um substancial aumento da resistência mecânica, principalmente a resistência à

fratura, ao limite de escoamento, à dureza e ao alongamento. O alumínio é um estabilizador

da fase α e o vanádio um estabilizador da fase β. Assim, em temperatura ambiente, uma

estrutura bifásica de grãos de alfa e beta está presente (PARR; GARDNER; TOTH, 1985). A

Figura 2-5 exibe um diagrama de fase parcial para o processo de formação da fase α e da fase

β para a liga de Ti-6Al-4V. Observa-se que, até a concentração de aproximadamente 6,4% de

alumínio, existem apenas as fases α e β.

Figura 2-5 - Diagrama de fases parcial da liga Ti-6Al-4V.

Fonte: Worthington (1994).

A Norma ASTM F136 estabelece a faixa de concentração do Al, V, Fe e outros

elementos para a liga Ti-6Al-4V, como apresentado na Tabela 2-4.

16

Tabela 2-4 - Composição química da liga Ti-6Al-4V.

Fonte: ASTM (1988).

A liga de Ti-6Al-4V apresenta grande similaridade com as ligas à base Ni-Cr e Co-Cr.

Entretanto, a liga de titânio apresenta menor densidade, o que acarreta a redução do peso da

peça protética e aumenta o conforto do portador (BAUER et al., 2006; THOMAS;

LECHNER; MORI, 1997). Em relação ao titânio puro, a liga Ti-6Al-4V apresenta quase o

dobro de resistência mecânica à tração e à dureza (AOKI et al., 2004). Inúmeros estudos

demonstram o excelente desempenho mecânico dessa liga quando comparada ao titânio puro

e a ligas experimentais, como os trabalhos de KOIKE et al., 2005; LIN JU; CHERN LIN,

2005; ROCHA et al., 2005; e KIKUCHI et al., 2003.

Embora a liga Ti-6Al-4V seja muito utilizada, o óxido de vanádio e alumínio formado

sobre a liga é considerado tóxico por muitos pesquisadores. Como esse óxido é

termodinamicamente instável, há discussões sobre sua toxicidade quando presente no

organismo. Segundo Okazaki e Gotoh (2005), ele pode irritar o sistema respiratório, chegando

até mesmo a comprometer o funcionamento dos pulmões.

Com o desgaste da liga no organismo, íons de vanádio e de alumínio podem ser

liberados. Eles são apontados como elementos de alta toxicidade, sendo o alumínio associado

ao mal de Alzheimer. Os íons também podem ocasionar descamação da mucosa do trato

respiratório e ainda prejudicar a produção sanguínea. A exposição da liga por muito tempo

17

aos fluidos corpóreos reduz a resistência à corrosão e pode agravar os processos malignos ao

redor do material implantado (FRIEDMAN; VERNAN, 1983). Após o implante dentário

fabricado à base de titânio ser implantado no paciente, o material imediatamente reage com os

fluidos corporais, que consistem em moléculas de água, íons dissolvidos e proteínas, como

apresentado na Figura 2-6.

Figura 2-6 - Interação entre o titânio e os fluidos corporais.

Fonte: Balazic et al. (2007).

2.1.6 Propriedades e aplicações do titânio e suas ligas

O titânio foi introduzido no campo médico no início dos anos 1940, com a publicação

de um artigo por Boothe e Daventport (1942) sobre a reação do osso para múltiplos implantes

metálicos. Eles implantaram vários metais (titânio, aço inoxidável e liga cromo-cobalto) no

fêmur de ratos, não ocorrendo reação adversa significativa.

Já o uso do titânio e suas ligas como biomaterial teve iníciou na década de 1950,

substituindo os aços inoxidáveis, devido às suas excelentes propriedades mecânicas e à boa

resistência à corrosão com produtos de corrosão inertes. Além disso, o titânio e suas ligas

apresentam módulo de elasticidade de 110 GPa, o mais próximo ao osso (11 GPa) quando

comparado com outros materiais.

O interesse e a evolução da utilização de implantes para recuperação de indivíduos

lesionados intensificou-se durante o período das grandes guerras mundiais, impulsionando as

pesquisas de materiais biocompatíveis que implicaram a realização de testes em animais a

partir de 1940.

18

O titânio é reconhecido como um dos materiais mais biocompatíveis devido à formação

de uma camada de óxido de titânio estável em sua superfície. Essa camada é capaz de formar

uma superfície rica em fosfato de cálcio, como apresentado na Figura 2-7, muito similar à

hidroxiapatita (fosfato de cálcio cristalino), responsável também pela prevenção à corrosão.

Todas essas características somadas tornam o Ti biocompatível.

Figura 2-7 - Formação da camada de dióxido de titânio e hidroxiapatita sobre

biomaterial à base de titânio.

Fonte: Balazic et al. (2007).

A característica de resistência à corrosão favorece o uso das ligas para fabricação de

componentes navais, dutos e trocadores de calor para a indústria química nas plataformas de

exploração petrolífera, entre outros. Em relação à/ao resistência/peso e à resistência a

elevadas temperaturas, as ligas de titânio podem ser empregadas em componentes das turbinas

e em partes estruturais das aeronaves e dos veículos de combate militares.

2.2 Fabricação mecânica

Os processos de fabricação mecânica se baseiam em um princípio de produção dos mais

antigos existentes, usado pelo homem desde a mais remota antiguidade, quando servia para a

fabricação de vasilhas de cerâmica. Esse princípio serve-se da rotação da peça sobre seu

próprio eixo para a produção de superfícies cilíndricas ou cônicas. Mas, apesar de muito

antigo, pode-se dizer que ele só foi efetivamente usado para o trabalho de metais no começo

deste século. A partir de então, tornou-se um dos processos mais completos de fabricação

mecânica, uma vez que permite conseguir perfis cilíndricos e cônicos necessários aos

produtos da indústria mecânica.

19

2.2.1 Torneamento

Segundo o SENAI (CATTO, 2004), o processo de torneamento se baseia no movimento

da peça em torno de seu próprio eixo. O torneamento é uma operação de usinagem que

permite trabalhar peças cilíndricas movidas por um movimento uniforme de rotação em torno

de um eixo fixo. São trabalhos executados com máquinas-ferramenta e acontecem mediante a

retirada progressiva do cavaco da peça a ser trabalhada. Esse cavaco é cortado por uma

ferramenta de um só gume cortante, que deve ter uma dureza superior à do material a ser

cortado.

No torneamento, a ferramenta penetra na peça, cujo movimento rotativo uniforme ao

redor do seu eixo permite o corte contínuo e regular do material. A força necessária para

retirar o cavaco é feita sobre a peça, enquanto a ferramenta, firmemente presa ao porta-

ferramenta, contrabalança à reação dessa força.

No processo de torneamento, são três os movimentos relativos entre a peça e a

ferramenta (CATTO, 2004):

Movimento de corte: é o movimento principal que permite cortar o material. O

movimento é rotativo e realizado pelo eixo árvore onde é fixada a peça.

Movimento de avanço: é o movimento que desloca a ferramenta ao longo da superfície

da peça.

Movimento de penetração: é o movimento que determina a profundidade de corte ao

empurrar a ferramenta em direção ao interior da peça e, assim, regular a profundidade do

passe e a espessura do cavaco.

Figura 2-8 - Movimentos relativos entre a peça e ferramenta.

Fonte: Catto (2004).

20

Variando os movimentos, a posição e o formato da ferramenta, é possível usinar várias

formas em diferentes operações.

Figura 2-9 - Torneamento de superfícies cilíndricas externas e internas.


Figura 2-10 - Torneamento de superfícies cônicas externas e internas.


Figura 2-11 - Roscar superfícies externas e internas.


Figura 2-12 - Perfilar superfícies.


2.2.2 Fresamento

Formas variadas é um fator que complica o processo de usinagem. Mas, devido às

maquinas de fresamento, fresadoras, ferramentas e dispositivos especiais, é possível usinar

vários tipos de superfícies e formatos de peça.

21

Segundo o SENAI (CATTO, 2004), o fresamento é um processo de usinagem mecânica,

feito por fresadoras e ferramentas especiais, chamadas fresas. O fresamento consiste na

retirada do excesso de metal ou sobremetal da superfície de uma peça, a fim de dar a esta uma

forma e acabamento desejados. No fresamento, a remoção do sobremetal da peça é feita pela

combinação de dois movimentos efetuados ao mesmo tempo. Um dos movimentos é o de

rotação da ferramenta, a fresa. Outro é o movimento da mesa da máquina, na qual é fixada a

peça a ser usinada. O movimento da mesa da máquina ou movimento de avanço que leva a

peça até a fresa é que torna possível a operação de usinagem (Figura 2-13).

Figura 2-13 - Sistema de fresamento.


2.3 Processos de roscamento

A usinagem é um processo que está sempre na vanguarda do desenvolvimento

tecnológico. A evolução e o desenvolvimento dos mais diversos tipos de produtos, como:

peças de alta precisão, motores, estruturas metálicas e até microcomponentes, passam pelo

processo de usinagem. Considerando a sua forma mais ampla, não existe na indústria moderna

um dispositivo, por mais complexo que seja, que não tenha passado por um processo de

usinagem. Entretanto, a usinagem não está apenas preparada para fazer máquinas

funcionarem. O processo está a serviço também do funcionamento correto do corpo humano,

seja por meio de próteses e implantes para substituir ossos e cartilagens, seja por meio de

aparelhos que auxiliam as complexas cirurgias do coração.

Devido à simplicidade que apresenta, o torneamento foi um dos primeiros processos

modernos desenvolvidos pelo homem. Anteriores ao torneamento, processos como o

22

forjamento e a fundição apresentavam grande aplicação na fabricação de componentes

industriais e de uso doméstico. Portanto, havia elevado domínio e conhecimento por parte dos

artífices, porém a qualidade dos produtos era inferior à daqueles produzidos pelo

torneamento.

Dessa forma, seguindo uma linha evolutiva com pequena variação cronológica,

processos como a furação, o fresamento e o roscamento surgiram praticamente simultâneos ao

torneamento. Todos esses processos apresentam dinâmicas de trabalho variadas com

parâmetros de processos específicos e que influenciam diretamente na qualidade dos

produtos. Entretanto, esses processos têm em comum a classificação como processos com

remoção de cavaco (CARVALHO, 2011).

2.3.1 Roscas

Segundo Gordo e Ferreira (2000), é denominado rosca um conjunto de filetes em torno

de uma superfície cilíndrica.

Figura 2-14 - Exemplo de rosca externa.

Fonte: Gordo e Ferreira (2000).

As roscas podem ser internas ou externas. Exemplos clássicos seriam o parafuso e a

porca. Essa diferença permite que elas se acoplem fixando algum item desejado.

23

Figura 2-15 - Porca e Parafuso.


Os tipos de roscas se alteram em seus perfis de filete e cada tipo é indicado para uma

aplicação específica. Essa mesma rosca pode ter seus filetes direito ou esquerdo, sendo que, à

direita, o aperto se dá no sentido horário e, à esquerda, no anti-horário.

Figura 2-16 - Tipos de filetes e aplicação.


24

2.3.2 Nomenclatura e dimensionamento de roscas

Independente da sua aplicação, as roscas têm os mesmos elementos, variando apenas os

formatos e as dimensões. Os símbolos utilizados, conforme a norma ABNT (2004), que

especifica as dimensões básicas para rosca métrica ISO de uso geral, são:

D - Diâmetro maior da rosca interna no perfil básico (diâmetro nominal);

D - Diâmetro maior da rosca externa no perfil básico (diâmetro nominal);

D1 - Diâmetro menor da rosca interna no perfil básico;

d1 - Diâmetro maior da rosca externa no perfil básico;

D2 - Diâmetro de flanco da rosca interna no perfil básico;

d2 - Diâmetro de flanco da rosca externa no perfil básico;

H - Altura do triângulo fundamental; e

P - Passo

Figura 2-17 - Dimensões básicas da rosca ISO.

Fonte: ABNT (2004).

Para o cálculo das dimensões básicas segundo a norma ABNT NBR 724 (2004), que

especifica as dimensões básicas para A rosca métrica ISO de uso geral, seguem-se as

seguintes equações:

D2 = D – 2 x 3/8 H = D – 0,649 5*P

d2 = d – 2 x 3/8 H = d – 0,649 5*P

D1 = D – 2 x 5/8 H = D – 1,082 5*P

d1 = d – 2 x 5/8 H = d – 1,082 5*P

25

2.3.3 Usinagem de roscas

Os machos para roscar manualmente são geralmente mais curtos e apresentados em

jogos de duas peças (para roscas finas) ou três peças (para roscas normais) com variações na

entrada da rosca e no diâmetro efetivo.

Figura 2-18 - Demonstrativo de jogo de macho manual.


O primeiro tem a parte filetada (roscada) em forma de cone. O segundo tem os

primeiros filetes em forma de cone e os restantes em forma de cilindro. O terceiro é todo

cilíndrico na parte filetada. Os dois primeiros são para desbaste e o terceiro é para

acabamento.

Figura 2-19 - Demonstração de filetes do jogo de macho três peças.


26

Os machos para roscar à máquina são apresentados em uma peça e têm seu

comprimento normalmente maior que o macho manual.

Esses machos são caracterizados por:

Sistema de rosca desejada. Ex.: Métrica, Whitworth.

Aplicação (tipo de furo). Ex.: Passante, Cego.

Passo medido pelo sistema. Ex.: Fios por pegada, distância de um filete ao outro.

Diâmetro externo ou nominal e sua classificação de folga.

Diâmetro da Haste.

Sentido da Rosca.

Os machos podem ser classificados quanto ao seu tipo de canal, ranhuras, sistema de

refrigeração e tipo de usinagem.

Figura 2-20 - Tipos de macho máquina.

Fonte: Adaptado de Catto (2004).

O fresamento por interpolação também é uma das formas de fabricação de roscas

internas e externas. As ferramentas utilizadas podem já conter o passo e o comprimento da

rosca desejado. Logo, o sistema permite a execução de todos os filetes da rosca com somente

27

uma volta. Ou seja, uma só passada da ferramenta (Figura 2-21c) de aresta única ou

monocortante (Figura 2-21a) também executa o movimento por interpolação. Porém, é

necessário o avanço, conforme o passo da rosca desejado, e um número de voltas ou passos

maior do que um. Para roscas internas, o diâmetro da fresa sempre deve ser inferior ao

diâmetro da rosca. Já para o roscamento externo, isso não é necessário.

Figura 2-21 - Detalhe do processo de fresamento de roscas: (a) Fresamento com

aresta monocortante, (b) Fresamento com arestas multicortante e (c) Fresamento com

ferramenta circular helicoidal.

Fonte: Araújo et al. (2004).

Figura 2-22 - Processo de roscamento externo.

Fonte: Ferraresi (1990).

O operação inversa no sistema manual utilizado é a ferramenta chamada cossinete ou

tarraxa. Essa ferramenta, assim como os machos, tem a finalidade de assegurar um perfeito

28

acoplamento e intercambialidade de peças fabricadas em série. É uma ferramenta de corte

feita de aço especial com um furo central filetado semelhante ao de uma porca. Possui três ou

mais furos que auxiliam na saída dos cavacos. Pode apresentar um corte radial de abertura,

que permite regular a profundidade de corte. Isso é feito por meio de um parafuso instalado na

fenda ou por meio dos parafusos de regulagem do porta-cossinete. Se esses parafusos não

forem bem apertados, podem produzir erros no passo, porque os dentes cortam

irregularmente.

No mercado, são encontrados cossinetes com entrada corrigida, ou seja, helicoidal, para

roscamento em materiais de cavaco longo e para aços em geral, facilitando a saída do cavaco

no sentido contrário ao do avanço da ferramenta. Isso evita o engripamento por acúmulo de

cavacos nos furos. Existem também cossinetes sem entrada corrigida para materiais que

apresentam cavacos curtos e quebradiços, como o latão.

Para trabalhos de obtenção de roscas iguais e normalizadas, deve-se usar cossinetes

rígidos ou fechados que não permitam a regulagem da “folga” da rosca.

Figura 2-23 - Cossinete ou tarraxa com sistema fechado.


Figura 2-24 - Cossinete ou tarraxa com sistema de regulagem da folga; ou seja,

aberto.

29


Para o uso manual da tarraxa ou cossinete, necessita-se do acoplamento em uma

ferramenta (Figura 2-25).

Figura 2-25 - Porta-cossinete ou desandador.


Outro sistema utilizado para roscamento manual é o cossinete bipartido. Trata-se de

uma variação dessa ferramenta, onde é formado por duas placas com formato especial e

apenas duas arestas cortantes (Figura 2-26). Ele é utilizado amplamente na fabricação de

roscas em tubos de plástico, ferro galvanizado e cobre.

Figura 2-26 - Cossinete manual bipartido.


Segundo o SENAI (CATTO, 2004), outra variação seria o cossinete de pente, usado no

roscamento com tornos revólveres e rosqueadeiras automáticas. Os pentes são montados em

cabeçotes com quatro ranhuras e aperto concêntrico e simultâneo, assegurando, assim, a

regulagem do diâmetro e a abertura brusca no fim do trabalho, a fim de liberar o pente sem

voltar a ferramenta. Nas rosqueadeiras, para cada cabeçote, existe um carrinho que avança e

recua a peça e que tem sistema próprio para aplicação de fluido de corte (Figura 2-27).

30

Figura 2-27 - Cabeçote de pentes expansível.


2.3.4 Laminação de roscas

No processo de laminação de roscas a frio sem cavacos, o material da peça de trabalho é

submetido a uma pressão além de seu ponto de deformação e, então, é deformado

plasticamente; ou seja, permanentemente.

Segundo Emuge (2010), a laminação de roscas faz parte do processo de estampagem. A

rosca interna é gerada por meio da impressão de uma sequência helicoidal de dentes de rosca

no orifício de rosca previamente preparado, o que permite laminar o perfil desejado mediante

a aplicação de pressão. Para ferramentas, o macho de laminação dispõe de uma redução de

guia para entrada e uma peça de guia cilíndrica para fixação. A hélice da rosca estende-se por

ambas as peças. Se for observada a seção transversal da ferramenta, pode-se apreciar uma

forma poligonal que forma um ângulo reto com o eixo da ferramenta. Essa forma poligonal

cria arestas de laminação responsáveis pelo perfil de rosca efetivo.

A parte de um macho de laminação que serve de guia está desenhada em forma de

redução de guia, onde o diâmetro da linha da rosca helicoidal aumenta constantemente. 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, criando a rosca.

Durante esse processo, o material da peça de trabalho “flui” pelos flancos das roscas, partindo

das cristas das roscas e chegando até a zona de menor diâmetro de rosca. Isso permite criar

uns flancos de superfícies lisas e, na zona de menor diâmetro, o típico “adensamento” (Figura

2-28).

31

Figura 2-28 - Mudanças na microestrutura causadas pela laminação.

Fonte: Emuge (2010).

Segundo Emuge (2010), para os modelos de machos para laminação de roscas, têm-se

os exemplos da Figura 2-29.

Figura 2-29 - Exemplos de Machos Laminadores.

Fonte: Emuge (2010).

32

Segundo Detroit (2006), estas são algumas vantagens da Rosca Laminada:

Alta precisão;

Maior resistência das roscas à tração;

Sem remoção de cavacos;

Economia de material;

Tempos de usinagem e ciclos reduzidos;

Alta qualidade de acabamento superficial.

Os sistemas de laminação de rosca acoplados a maquinas operatrizes, tais como tornos,

centro de usinagem e centros de torneamento, gozam das mesmas vantagens dos sistemas

dedicados para laminação de rosca. Segundo Fette (2012), o processo de laminação de rosca,

além de economia de tempo-máquina, garante um melhor acabamento e repetibilidade no

processo, sem geração de cavaco ou formação de arestas cortantes. Nos sistemas

exemplificados na Figura 2-30, Fette (2012) mostra a aplicação do sistema para cada tipo de

peça a ser rosqueada por laminação.

33

Figura 2-30 - Tipos de sistemas de laminação de rosca em máquinas operatrizes.

Fonte: Fette (2012).

34

A laminação de roscas por placas planas (Figura 2-31) mostra que, neste caso, aplicam-

se duas placas. Já no perfil da rosca a ser laminada, onde uma fica parada, a outra se

movimenta linearmente, paralela a outra placa, onde a peça é colocada entre as placas. Pelo

movimento de avanço, vão conformando, assim, os filetes de roscas à medida que a peça gira.

Figura 2-31 - Laminação de roscas com encosto plano.

Fonte: Carvalho (2011).

Já a laminação de rosca com cilindros paralelos trata-se de dois cilindros com o perfil

dos filetes da rosca girando de forma sincronizada, onde a peça passa entre os cilindros

apoiada em uma régua (Figura 2-32). As peças podem ser passantes, no caso de barras

roscadas, em que a distância entre os rolos é fixa; ou de mergulho, onde os cabeçotes se

afastam, sendo possível a fabricação de peças com “cabeça”.

35

Figura 2-32 - Máquina laminadora de rosca.

Fonte: Atlasmaq (www.atlasmaq.com.br).

Segundo Carvalho (2011), para o processo de laminação de rosca com cilindro e

segmento de roscamento, comprime-se o material entre até três elementos de roscamento

fixos e reguláveis com zona de saída de curvatura determinando um segmento de roscamento,

o qual gira e guia a peça contra o cilindro de laminação. Esse princípio (Figura 2-33) é

utilizado na fabricação de grandes lotes de peças, amplamente utilizado na indústria de

fixação, para a fabricação de parafusos.

Figura 2-33 - Laminação de roscas com um cilindro de roscamento e um segmento de

apoio.

Fonte: Carvalho (2011).

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=laminadora+de+rosca&source=images&cd=&cad=rja&docid=UitLMk855SWyBM&tbnid=ROAa3JlcfxO5cM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.atlasmaq.com.br/MaquinaNova/Laminadora-de-Roscas-Atlasmaq-7-30-cod-130-21&ei=waQLUYr7C5To9gTkpYDYDA&bvm=bv.41867550,d.dmQ&psig=AFQjCNFtrEevsbaH87xQaIR7_VpGCzsWnA&ust=1359803954558352

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=laminadora+de+rosca&source=images&cd=&cad=rja&docid=UitLMk855SWyBM&tbnid=ROAa3JlcfxO5cM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.atlasmaq.com.br/MaquinaNova/Laminadora-de-Roscas-Atlasmaq-7-30-cod-130-21&ei=waQLUYr7C5To9gTkpYDYDA&bvm=bv.41867550,d.dmQ&psig=AFQjCNFtrEevsbaH87xQaIR7_VpGCzsWnA&ust=1359803954558352

36

Segundo Fromentin (2006), as características da superfície do fio dependem dos

parâmetros da operação de rosqueamento, pelo qual tem de ser tomada em consideração na

abordagem de design ou forma da peça quando esse processo é escolhido. Então, é necessaria

a elaboração de suportes ou gabatiros de acordo com a forma da peça. No entanto, a

laminação é o processo de fabricação de roscas que mais se destaca entre os demais devido à

taxa pequena de fabricação. Para Helman e Cetlin (2003), a laminação cria um encruamento

na superfície do material, aumentando a dureza superficial e melhorando a resistência do

produto final.

A rosca e o parafuso tiveram sua origem em torno do ano 400 a.C. No final do século

XV, Leonardo da Vinci fez vários desenhos de projetos de máquinas para se fabricarem

parafusos com roscas. Porém, o primeiro equipamento concreto para esse propósito foi

inventado em 1568 pelo matemático francês Jacques Besson. Hoje, o parafuso e a rosca estão

presentes em praticamente tudo no nosso dia a dia (INSTITUTO TECNOLÓGICO DE

FIXAÇÃO, 2009).

Devido à grande utilização das roscas, a indústria tem buscado formas mais produtivas e

mais seguras para a fabricação desses componentes. Os processos mais utilizados são aqueles

com remoção de cavaco (usinagem) e por conformação mecânica (laminação). A laminação

de roscas consiste em submeter a peça sob uma pressão causada por rolos laminadores ou

pentes planos, que podem ser utilizados em máquinas específicas ou em tornos de usinagem.

Entre algumas características que diferenciam a rosca usinada das roscas convencionais,

pode-se destacar que, na rosca usinada, o filete é gerado pela retirada do material por meio de

ferramentas de corte feitas de aço rápido ou metal duro. Essas ferramentas têm o ciclo de vida

pequeno, o que pode gerar roscas fora do especificado. Na laminação, o material é

compactado por rolos laminadores ou pelos pentes planos, o que permite um melhor

acabamento superficial e diminui o atrito da rosca no momento de aplicar o torque. Mas a

laminação também pode causar falhas de fabricação, como na formação dos filetes de roscas e

dos filetes duplos. Dependendo do material a ser laminado, pode, ainda, gerar tensões

internas.

37

CAPÍTULO 3

3 MATERIAIS E MÉTODOS

O experimento baseou-se no processo de industrialização ou fabricação da rosca externa

M12 x 1,5 mm de passo, por meio dos processos de usinagem por aresta monocortante, que

preveem a retirada de cavaco e a laminação por cabeçote laminador axial de três rolos

montado em torno CNC. O experimento basicamente se constituiu do processo de fabricação

de filetes pelo método de conformação com cabeçote laminador em máquina operatriz e

usinagem por aresta única de corte, ou seja, a fabricação de roscas externas por meio de dois

princípios, a saber: a usinagem por aresta monocortante, que provê a retirada de material, e o

processo de laminação, que promove a formação dos filetes pelo escoamento do material, sem

formação de cavaco. Os dois processos foram realizados em um equipamento CNC, onde, no

caso do processo de conformação, foi empregado um sistema de cabeçotes laminadores axial

de três rolos.

3.1 A rosca

Para este estudo, foi selecionada a rosca métrica M12 no passo de 1,5 mm, conforme

Tabela da ABNT NBR ISO 724 Rosca métrica ISO de uso geral – Dimensões básicas. Essa

escolha se deu devido à disponibilidade de ferramentas na medida e por se tratar de uma

medida intermediária para linha automotiva.

Tabela 3-1 - Dimensões básicas para rosca M12.

Dnominal =

Dmaior

[mm]

Passo da rosca

[mm]

Diâmetro de flanco

[mm]

Diâmetro menor

[mm]

D ou d p D2, d2 D1, d1

12 1,5 11,026 10,376

Fonte: ABNT (2004).

38

3.2 O Material

A liga escolhida foi a do grupo alfa-beta a Ti-6Al-4V, que apresenta composição

química (Tabela 3-2) no estado homogeneizado, em formato cilíndrico, com comprimento de

15 mm e 25 mm no diâmetro em bruto de 12,7 mm.

Tabela 3-2 - Composição química da Liga Ti-6Al-4V utilizada nos experimentos.

Elemento Composição química [%]

Al V Fe O C H N Y Ti

Mínimo 5,5 3,5 0,3 0,14 0,08 0,01 0,03 50 ppm balanço

Máximo 6,75 4,5 - 0,23 - - - - -

Fonte: www.realum.com.br

A Figura 3-1 apresenta a microestrutura da liga de titânio Ti-6Al-4V.

Figura 3-1 - Microestrutura da liga Ti-6Al-4V (MEV com ampliação de 250x).

Fonte: Autoria Própria

3.3 Máquinas e Equipamentos

Para a execução da usinagem, foi utilizado um Torno CNC Sinitron modelo BNC

2260X conforme Figura 3-2.

http://www.realum.com.br/

39

Figura 3-2 - Torno CNC sinitron BNC 2260X.

Fonte: Autoria Própria

Os testes de usinagem foram realizados com um suporte Iscar com o código R166 2525,

onde foi fixado um inserto Iscar código 16 ERM AG60 (Figura 3-3).

Figura 3-3 - Suporte e inserto intercambiável fixado na torre da máquina.


Para a execução das rocas laminadas, foi utilizado um cabeçote laminador com três

rolos da marca Fette F2 (Figura 3-4).

40

Figura 3-4 - Cabeçote Laminador Fette modelo F2.


Para a análise dimensional dos diâmetros das roscas, foi utilizado um micrômetro

externo, com intervalo de medição de 0-25mm da marca Digimes (Figura 3-5).

Figura 3-5 - Micrômetro Externo Digimess com intervalo de medição de 0-25mm.


Para a análise dos resultados dimensionais, foi utilizada uma câmera de medição ótica

marca Insize (Figura 3-6) acoplada a um projetor de perfil para medição da altura do filete.

Figura 3-6 - Sistema de medição ótico.


41

A análise micrográfica foi realizada com um Microscópio Eletrônico de Varredura da

marca HITACHI e modelo TM3000 (Figura 3-7), e um microscópio da marca Olympus e

modelo BX51 (Figura 3-8).

Figura 3-7 - Microscópio eletrônico de varredura HITACHI modelo TM3000.


Figura 3-8 - Microscópio ótico Olympus.


42

Para a análise do encruamento do material devido à recuperação elástica, foi utilizado

um Microdurômetro (Figura 3-9).

Figura 3-9 - Microdurômetro.

Fonte: autoria própria

3.4 Corpo de Prova

O corpo de prova tinha dimensões de 15 mm de comprimento para as roscas usinadas e

25 mm para as roscas laminadas. Basicamente, o corpo de prova era uma haste cilíndrica da

liga Ti-6Al-4V com diâmetro de 12,7 mm. A Figura 3-10 mostra um esquema em CAD do

perfil a ser fabricado para as roscas laminadas e usinadas.

Figura 3-10 - Demonstrativo de corpo de prova.


43

3.5 Descritivo

Para a fabricação de roscas, foi empregado o torno da Marca Sinitron modelo BNC

2260X, com torre hidráulica de oito posições, sistema de comando numérico Fanuc modelo 0i

(Figura 3-11). A sincronização dos movimentos axial e rotacional baseou-se no software CNC

da máquina por meio da função ativada G43, que permite o roscamento à velocidade de corte

constante.

Figura 3-11 - Comando Fanuc 0i.


Foi montado na torre do torno CNC um suporte da marca Iscar modelo R166 2525 e um

inserto intercambiável modelo 16 ERM AG60. Testes preliminares demonstraram que a

velocidade de usinagem de 38,83 m/min é o limite no processo de roscamento para a liga de

Ti-6Al-4V, assegurando um acabamento aceitável livre de vibrações e alta rugosidade. Um

planejamento fatorial completo (3k) foi utilizado para identificar os principais efeitos e a

interação de fatores de entrada sobre as respostas “diâmetro do perfil” e “altura h” da rosca

usinada, resultando em um arranjo experimental com nove combinações experimentais

distintas com três réplicas.

44

Tabela 3-3 - Parâmetros experimentais do processo de roscamento por usinagem.

Fatores Experimentais Nível das variáveis de entrada

- 1 0 + 1

D Velocidade de usinagem [m/min] 19,4 29,13 38,83

E Posição de medição [Adm] Início Meio Final


Conforme a Figura 3-12, a fixação das barras a serem roscadas pelo processo de

usinagem foi realizada diretamente no torno CNC, usando uma placa hidráulica de três

castanhas. O comprimento de balanço foi de 15 mm e o sentido de rotação anti-horário pelo

fato de a torre ser traseira e o suporte trabalhar invertido, o que ajuda na queda do cavaco por

gravidade, minimizando o risco de este enrolar na peça. Após a fixação do suporte ao VDI do

torno CNC, é necessária a padronização do diâmetro inicial a ser roscado de 12,00 mm. Essa

medida foi controlada utilizando o micrômetro externo digital com resolução de 0,001 mm no

início, no meio e no final do corpo de prova.

Figura 3-12 - Detalhe do processo de roscamento por usinagem.


Para a fabricação de roscas laminadas, foi empregado um torno da Marca Sinitron

modelo BNC 2260X, com torre hidráulica de oito posições, sistema de comando numérico

Fanuc modelo 0i (Figura 3-11). A sincronização dos movimentos axial e rotacional baseou-se

no software CNC da máquina. O dispositivo escolhido para laminar as roscas foi o sistema da

Fette tipo F, FU, F-RN, K (Figura 3-13), com avanço axial contendo três rolos laminadores.

45

Figura 3-13 - Sistema de laminação de rosca axial.

Fonte: Catálogo da Fette.

Após a fixação da barra na máquina, foi necessária a padronização do diâmetro inicial,

que também faz parte deste estudo. Ao longo de todo o perfil a ser roscado, essa medida foi

controlada utilizando-se um micrômetro externo digital com resolução de 0,001 mm. Para a

retirada do sobremetal, foi utilizado um suporte da marca Iscar modelo PTGNR 2525K-16

contendo um inserto Iscar TNMG 160404 6015 PN. Para determinar o diâmetro a ser

laminado, foi utilizada a norma ISO DIN 13 60º tolerância de parafusos em qualidade média

(Tabela 3-4).

Tabela 3-4 - Dimensões para laminação de rosca M12.

Rosca Passo

[mm]

Diâmetro primitivo Diâmetro externo

Mínimo

[mm]

Máximo

[mm]

Mínimo

[mm]

Máximo

[mm]

M12 1,5 10,854 10,994 11,732 11,968


A Tabela 3-5 mostra os fatores e níveis experimentais investigados para o roscamento

por laminação. O nível zero dos experimentos foi o diâmetro de 11 mm e a velocidade de

conformação de 9,15 m/min. Os níveis experimentais foram baseados no catálogo do

fornecedor para materiais não-ferrosos (EMUGE, 2010) e no estudo preliminar de Baldo et al.

(2010), que investigou o roscamento por conformação na liga de alumínio. Testes

preliminares demonstraram que a velocidade de conformação de 18,3 m/min é o limite para

essa liga, assegurando um processo de acabamento aceitável. Um planejamento fatorial

completo (3k) foi utilizado para identificar os principais efeitos e a interação de fatores de

46

entrada sobre as respostas “diâmetro do perfil” e “altura h” da rosca conformada, resultando

em um arranjo experimental com 27 combinações experimentais distintas com três réplicas.

Tabela 3-5 - Parâmetros experimentais do processo de roscamento por conformação.

Fatores Experimentais Nível das variáveis de entrada

- 1 0 + 1

A Velocidade de deformação [m/min] 4,6 9,15 18,3

B Posição de medição Início Meio Final

C Diâmetro inicial da haste [mm] 10,85 11 11,15


Para a análise dos resultados dimensionais da altura do filete, foi utilizada a câmera de

medição ótica marca Insize com seu software para leitura por meio da imagem (Figura 3-14).

Figura 3-14 - Detalhe da medição da altura do filete.


Utilizando o micrômetro digital externo, foi executada a leitura do diâmetro externo da

rosca no início, no meio e no fim (Figura 3-15).

47

Figura 3-15 - Esquema da medição no início, meio e fim das roscas.


Por recomendação do fabricante das ferramentas utilizadas e informações de estudos

anteriores, todo o procedimento foi realizado com emulsão contendo 8% de concentração de

óleo solúvel e vazão de 20 l/min.

3.6 Experimento

Experimentos são realizados por pesquisadores em praticamente todos os campos de

investigação, geralmente para descobrir algo sobre um determinado processo ou sistema.

Literalmente, um experimento é um teste. Mais formalmente, define-se um experimento como

um teste ou uma série de testes em que as mudanças intencionais são feitas para os fatores de

entrada de um processo ou sistema, de forma que se possa observar e identificar as razões

para as mudanças na resposta de saída (MONTGOMERY, 2005).

Em geral, os experimentos são usados para estudar o desempenho de processos e

sistemas. Pode-se visualizar o processo normalmente como uma combinação de máquinas,

métodos, pessoas e outros recursos, que transforma alguma entrada (geralmente, um material)

em uma saída e que tem uma ou mais respostas observáveis (MONTGOMERY, 2005). O

processo, ou sistema, pode ser representado pelo modelo mostrado na Figura 3-16.

48

Figura 3-16 - Modelo Geral de um processo ou sistema.

Fonte: Montgomery (2005).

O planejamento de experimento é constituído de um conjunto de técnicas estatísticas

que proporcionam um método estruturado para planejar, executar e analisar os experimentos.

Ele é usado para determinar qual a melhor combinação de variáveis para a obtenção da

resposta desejada (MONTGOMERY, 1997). O DOE originou-se por volta de 1920, quando

Sir Ronald A. Fisher, um cientista britânico, estudou e propôs uma abordagem mais

sistemática, a fim de maximizar o conhecimento adquirido, a partir de dados experimentais.

Seu objetivo principal era determinar a luz do sol melhor, a qualidade da água, a quantidade

de fertilizantes e solo subjacente à condição necessária para produzir a melhor colheita

(ROWLANDS; ANTONY, 2003). Antes de seus estudos, a abordagem tradicional era para

testar um fator em um tempo durante a fase experimental. O primeiro fator é movido,

enquanto os outros fatores se mantêm constantes. Em seguida, o próximo fator é examinado, e

assim por diante.

O uso original do DOE, planejado por Fischer, refere-se a métodos utilizados para obter

as informações mais relevantes e significativas a partir de um banco de dados de

experimentos, que fazem o menor número possível de experiências. O método proposto por

Fisher, para a realização de experiências, eliminou as observações redundantes e reduziu o

número de testes, a fim de proporcionar informações sobre as interações importantes entre as

variáveis.

A abordagem DOE tornou-se essencial para determinar e examinar o comportamento da

função objetivo e identificar quais fatores são mais significativos. A influência dos fatores

experimentais pode ser subdividida em diversos ramos, como: determinar que variáveis

influenciam mais nos resultados, atribuir valores às variações influentes para otimizar o

processo ou para minimizar a variabilidade dos resultados, além de poder minimizar a

influência de variáveis não-controláveis (BUTTON, 2001).

49

O planejamento de experimento (DOE) é um Delineamento Inteiramente Casualizado

(DIC). Nesse delineamento, é necessária a completa homogeneidade das condições

ambientais e do material experimental, sendo os tratamentos distribuídos nas parcelas de

forma inteiramente casual (aleatória). O DOE possui apenas os princípios da casualização e

da repetição, não possuindo controle local e, portanto, as repetições não são organizadas em

blocos. Tem a vantagem de possuir grande flexibilidade quanto ao número de tratamentos e

repetições, sendo dependente, entretanto, da quantidade de material e da área experimental

disponível.

Dessa forma, foi empregado o planejamento fatorial de experimentos, indicado quando

vários fatores devem ser estudados em dois ou mais níveis e as interações entre os fatores

podem ser importantes. Neste trabalho, de acordo com os objetivos, foi utilizado o modelo de

planejamento fatorial de experimentos com três fatores controláveis, as variáveis de entrada,

para o processo de roscamento por conformação:

Velocidade de deformação: 4,60 m/min, 9,15 m/min e 18,30 m/min;

Posição de medição: Início, meio e final;

Diâmetro: 10,85 mm, 11 mm e 11,15 mm.

As variáveis de entrada para o processo de roscamento por usinagem foram:

Velocidade de usinagem: 19,40 m/min, 29,13 m/min e 38,83 m/min;

O modelo estatístico linear para o processo de roscamento por conformação é dado por:

ijkl = µ + i + j + k + ( )ij + ( )ik + ( )jk + ( )ijk + ijkl (1),

onde: i = 1, 2, 3 (níveis da velocidade de deformação), j = 1, 2, 3 (níveis da posição de

medição), k = 1, 2, 3 (níveis do diâmetro) e l = 1, 2, 3 (número de réplicas). ijkl é a variável

resposta (saída), µ é a média global das respostas de todos os tratamentos, i representa o

efeito do fator velocidade de deformação, j representa o efeito da posição de medição, k

representa o efeito do fator diâmetro, ( )ij representa o efeito da interação entre i e j, ( )ik é

o efeito da interação entre i e k, ( )jk é o efeito da interação entre j e k, ( )ijk é o efeito da

interação entre i, j e k, e ijkl é o modelo matemático do erro aleatório.

O modelo estatístico linear para o processo de roscamento por usinagem é dado por:

ijl = µ + i + j + ( )ij + ijl (2),

50

onde: i = 1, 2, 3 (níveis da velocidade de usinagem), j = 1, 2, 3 (níveis da posição de medição)

e l = 1, 2, 3 (número de réplicas). ijkl é a variável resposta (saída), µ é a média global das

respostas de todos os tratamentos, i representa o efeito do fator velocidade de usinagem, j

representa o efeito da posição de medição, ( )ij representa o efeito da interação entre i e j, e

ijkl é o modelo matemático do erro aleatório.

A temperatura ambiente, o tipo de material e a velocidade de retorno da ferramenta

foram mantidos constantes nos testes experimentais. O planejamento fatorial adequado às

condições experimentais deste trabalho é do tipo 3k, exibindo experimentos de três níveis,

onde “k” corresponde ao número de fatores experimentais.


externo por conformação, estabelecendo um planejamento fatorial completo do tipo 33 com

três repetições, resultando em um arranjo experimental com 27 combinações experimentais

distintas.

51

Tabela 3-6 - Arranjo experimental do planejamento fatorial completo 3³ para o

processo de roscamento por conformação.

Condições

Experimentais

Velocidade de deformação

[m/min]

Posição de

medição

Diâmetro

[mm]

C1 9,15 Final 10,85

C2 18,3 Início 11

C3 9,15 Início 10,85

C4 18,3 Meio 11,15

C5 18,3 Meio 11

C6 18,3 Meio 10,85

C7 9,15 Início 11,15

C8 18,3 Início 10,85

C9 4,6 Meio 11,15

C10 4,6 Meio 10,85

C11 4,6 Início 10,85

C12 4,6 Final 11,15

C13 9,15 Meio 11,15

C14 4,6 Início 11,15

C15 4,6 Início 11

C16 9,15 Final 11

C17 9,15 Final 11,15

C18 9,15 Meio 10,85

C19 4,6 Meio 11

C20 4,6 Final 10,85

C21 18,3 Final 10,85

C22 9,15 Início 11

C23 18,3 Início 11,15

C24 18,3 Final 11

C25 4,6 Final 11

C26 18,3 Final 11,15

C27 9,15 Meio 11


52


externo por usinagem, com um planejamento fatorial completo do tipo 32 com três réplicas,

resultando em um arranjo experimental com nove combinações experimentais distintas.

Tabela 3-7 - Arranjo experimental do planejamento fatorial completo 3² para o

processo de roscamento por usinagem.

Condições

experimentais

Velocidade de usinagem

[m/min]

Posição de

medição

C1 38,83 Início

C2 38,83 Meio

C3 19,4 Início

C4 38,83 Final

C5 29,13 Início

C6 29,13 Final

C7 19,4 Final

C8 29,13 Meio

C9 19,4 Meio


Considerando a adoção de três réplicas para cada condição, o processo experimental

consistiu em 81 ensaios para o roscamento por conformação e 27 ensaios para o roscamento

por usinagem pelo planejamento fatorial completo, o que gera populações amostrais

uniformemente distribuídas em todo espaço amostral possível (Figura 3-17).

A repetição consiste na repetição da condição experimental, proporcionando a

estimativa do erro experimental de uma resposta individual. A extensão desse erro é

importante na decisão se existem ou não efeitos significativos que possam ser atribuídos à

ação dos fatores (WERKEMA; AGUIAR, 1996).

53

Figura 3-17 - Espaço 3-Dimensional do Planejamento Experimental. Alguns DOE são

muito bem estruturados, enquanto outros são apenas uma nuvem de pontos. A escolha

do método estatístico depende do número de amostras e do tipo de investigação.

Fonte: Esteco (2012).

Levando em consideração a complexidade dos cálculos envolvidos no planejamento

fatorial, o programa computacional estatístico MinitabTM versão 14 e o software

modeFRONTIER® foram utilizados para a manipulação dos dados e a análise dos resultados.

A técnica estatística utilizada para análise dos dados foi a Análise de Variância (ANOVA –

Analysis of Variance). Na Análise de Variância, avalia-se a influência exercida por dois ou

mais fatores de um processo sobre uma característica da qualidade de interesse

(MONTGOMERY, 2005). A análise de variância para dois ou mais fatores permite que seja

avaliada a interação entre eles. A hipótese nula (H0) é que todas as médias são iguais,

enquanto a hipótese alternativa (Ha) considera que pelo menos uma média é diferente:

H0: µx - µy = 0 (3)

Ha: µx - µy≠ 0 (4)

Na aplicação da análise de variância, pressupõe-se que as amostras são extraídas a partir

de populações independentes, descritas por uma distribuição normal, e que o desvio padrão ou

variações das populações são iguais:

54

Distribuição normal: utiliza-se o teste de normalidade de Anderson-Darling, exibindo

um gráfico de distribuição normal e/ou um histograma de resíduos;

Independência: representa-se um gráfico sequencial para os resíduos considerando a

ordem de realização dos ensaios;

Variância constante: apresenta-se o gráfico de resíduos versus valores ajustados.

O modelo estatístico linear para o processo de roscamento por conformação para a

resposta de microindentação é dado por:

ijkl = µ + i + j + k + ( )ij + ( )ik + ( )jk + ( )ijk + ijkl (5),

onde: i = 1, 2, 3 (níveis da velocidade de deformação), j = 1, 2, 3 (níveis da posição de

medição), k = 1, 2, 3 (níveis do diâmetro inicial) e l = 1, 2, 3 (número de réplicas). ijkl é a

variável resposta (saída), µ é a média global das respostas de todos os tratamentos, i

representa o efeito do fator velocidade de deformação, j representa o efeito da posição de

medição, k representa o efeito do fator diâmetro, ( )ij representa o efeito da interação entre

i e j, ( )ik é o efeito da interação entre i e k, ( )jk é o efeito da interação entre j e k,

( )ijk é o efeito da interação entre i, j e k, e ijkl é o modelo matemático do erro aleatório.

A Tabela 3-8 mostra os fatores avaliados e os níveis investigados para a

microindentação, variando apenas os níveis da posição de medição, gerando um arranjo

experimental 3³ com três réplicas e resultando em 81 medições.

Tabela 3-8 - Parâmetros para microindentação.

Parâmetros de entrada Nível das variáveis de entrada

- 1 0 + 1

Diâmetro [mm] 10,85 11 11,15

Velocidade de deformação

[m/min] 4,60 9,15 18,30

Posição de medição Crista Base Meio


A Figura 3-18 exibe os níveis da posição de medição, identificando cada região em um

modelo esquemático.

55

Figura 3-18 - Posição de medição da microdureza.


O modelo estatístico linear para o processo de roscamento por usinagem para a resposta

de microindentação é dado por:

ijl = µ + i + j + ( )ij + ijl (6)

onde: i = 1, 2, 3 (níveis da velocidade de usinagem), j = 1, 2, 3 (níveis da posição de medição)

e l = 1, 2, 3 (número de réplicas). ijkl é a variável resposta (saída), µ é a média global das

respostas de todos os tratamentos, i representa o efeito do fator velocidade de usinagem, j

representa o efeito da posição de medição, ( )ij representa o efeito da interação entre i e j, e

ijkl é o modelo matemático do erro aleatório.

A Tabela 13 mostra os fatores avaliados e os níveis investigados da microindentação

para o roscamento por usinagem, variando apenas os níveis da posição de medição, gerando

um arranjo experimental 3² com três réplicas e resultando em 27 medições.

Tabela 3-9 - Parâmetros para microindentação para o processo de roscamento por

usinagem.

Parâmetros de entrada Nível das variáveis de entrada

- 1 0 + 1

Velocidade de usinagem

[m/min] 19,40 29,13 38,83

Posição de medição Crista Base Meio


57

CAPÍTULO 4

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Roscamento por conformação

Tabela 4-1 - Dados de medição rosca conformada.

LAMINAÇÃO

Método de medição Pos. RPM 133/ 10,85/Titânio RPM 265/ 10,85/Titânio RPM 530/ 10,85/Titânio

R1/01 R2/02 R3/03 R1/04 R2/05 R3/06 R1/07 R2/08 R3/09

Micrometro

diâmetro

externo

I 11,198 11,360 11,335 11,197 11,371 11,349 11,398 11,375 11,383

M 11,200 11,333 11,325 11,169 11,349 11,346 11,373 11,347 11,357

F 11,225 11,328 11,319 11,174 11,337 11,338 11,356 11,341 11,349

Retro projetor

I 0,528 0,660 0,671 0,506 0,638 0,550 0,572 0,616 0,605

M 0,462 0,572 0,583 0,517 0,561 0,539 0,583 0,572 0,594

F 0,528 0,561 0,572 0,561 0,572 0,572 0,594 0,583 0,605

Método de medição Pos. RPM 133/ 11,00/Titânio RPM 265/ 11,00/Titânio RPM 265/ 11,00/Titânio

R1/10 R2/11 R3/12 R1/13 R2/14 R3/15 R1/16 R2/17 R3/18

Micrometro

diâmetro

externo

I 11,541 11,587 11,618 11,575 11,293 11,597 11,593 11,624 11,590

M 11,500 11,567 11,568 11,545 11,318 11,557 11,534 11,563 11,526

F 11,480 11,537 11,543 11,508 11,337 11,523 11,503 11,524 11,514

Retro projetor

I 0,660 0,672 0,715 0,671 0,539 0,682 0,682 0,660 0,660

M 0,627 0,660 0,638 0,627 0,550 0,649 0,649 0,638 0,627

F 0,572 0,616 0,594 0,572 0,539 0,605 0,627 0,627 0,616

Método de medição Pos. RPM 133/ 11,15/Titânio RPM 265/ 11,15/Titânio RPM530/ 11,15/Titânio

R1/19 R2/20 R3/21 R1/22 R2/23 R3/24 R1/25 R2/26 R3/27

Micrometro

diâmetro

externo

I 11,886 11,918 11,939 11,828 11,884 11,841 11,664 11,794 11,889

M 11,876 11,886 11,898 11,797 11,826 11,807 11,693 11,881 11,877

F 11,834 11,862 11,863 11,791 11,814 11,801 11,705 11,817 11,861

Retro projetor

I 0,858 0,825 0,847 0,770 0,825 0,781 0,737 0,803 0,836

M 0,781 0,792 0,803 0,759 0,792 0,770 0,748 0,792 0,792

F 0,759 0,748 0,759 0,748 0,748 0,737 0,715 0,770 0,748


58

4.1.1 Diâmetro do Perfil de rosca conformada.

Os valores das medidas do diâmetro do perfil da rosca externa conformada variaram

entre 11,283 e 11,914 mm. A Figura 4-1 apresenta os gráficos de probabilidade normal para

os resíduos, gráfico de resíduos versus valores ajustados, histograma para os resíduos e

resíduos versus ordem de coleta dos dados para a validação do modelo da análise de variância

(ANOVA).

Figura 4-1 - Resíduos para a média do diâmetro interno do perfil de rosca

conformado: (A) Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C)

Histograma e (D) Resíduos versus ordem dos dados.


O gráfico de probabilidade normal e o histograma avaliam a suposição de normalidade.

É importante observar a existência de outliers, que são os pontos distantes da reta de

regressão, podendo representar uma fonte de erro na coleta dos dados. Os pontos distribuídos

uniformemente ao longo da reta e o comportamento, aproximadamente simétrico com média

zero do histograma, atendem às condições de normalidade exigidas para validação do modelo

da ANOVA. A Figura 4-2 mostra o teste de normalidade de Anderson-Darling para o

diâmetro do perfil laminado.

59


rosca conformado.


O “P-valor” superior a 0,05 confirma a densidade normal da variável resposta com 95%

de significância. O gráfico de resíduos versus valores ajustados detecta se a variância do erro

residual é constante, analisando a presença de valores extremos outliers. O gráfico de resíduos

versus ordem dos dados analisa a independência dos resíduos. Os pontos em padrão aleatório,

sem pontos discrepantes em relação ao conjunto de dados, comprovam a homogeneidade e a

independência das amostras.

A Tabela 4-1 mostra os resultados da análise de variância para a média do diâmetro do

perfil de rosca conformado e os principais parâmetros para o cálculo do “P-valor”. A segunda

coluna indica o número de graus de liberdade (DF – Degree of Freedom), a terceira coluna

representa a soma dos quadrados sequencial (Seq SS – Sequential Square Sum) e a quarta, a

soma dos quadrados ajustada (Adj SS – Adjusted Square Sum). Já quinta coluna exibe a

média quadrada ajustada (Adj MS – Adjusted Mean Square), a qual é calculada dividindo a

soma dos quadrados ajustada pelo número de grau de liberdade (Adj SS/DF).

O parâmetro F representa a “relação-F”, calculado, dividindo-se a média quadrada

ajustada de cada fator pela média quadrada ajustada do erro. Finalmente, na última coluna,

são mostrados os “P-valores” que indicam a probabilidade de estes dois elementos (Adj MS

fator e Adj MS error) possuírem o mesmo valor, ou seja, a probabilidade de cada fator não

influenciar o diâmetro do perfil de rosca conformado. Em outras palavras, os valores de “P”

indicam quais efeitos no sistema são estatisticamente significantes, baseando-se nos

resultados experimentais das réplicas 1, 2 e 3. Se o “P-valor” for menor ou igual a α, é

possível concluir que o efeito é significante.

60

Tabela 4-2 - Análise de variância para o diâmetro do perfil de rosca conformado.

Fatores Experimentais DF Seq SS Adj SS Adj MS F P

Vel. de deformação 2 0,0351 0,0351 0,01755 3,410 0,040

Pos. de medição 2 0,02162 0,02162 0,01081 2,100 0,132

Diâmetro inicial da haste 2 3,62758 3,62758 1,81379 352,240 0,000

Vel. de deformação*Pos. de

medição 4 0,00031 0,00031 0,00008 0,010 1,000

Vel. de deformação*


Pos. de medição* Diâmetro

inicial da haste 4 0,00343 0,00343 0,00086 0,170 0,954


medição*Diâmetro inicial da

haste

8 0,00804 0,00804 0,00101 0,200 0,990

Erro Residual 54 0,27806 0,27806 0,00515

R² 93,3%


O valor de α de 0,05 indica o nível de significância, ou seja, a condição de 95% de

probabilidade de o efeito ser significante. O valor de R² (adj) exibido na ANOVA mede a

proporção da variabilidade presente nas observações da variável resposta y, que é explicada

pelas variáveis preditoras presentes na equação de regressão. Quanto mais próximo de 1 (ou

de 100%) for R², melhor a qualidade da equação ajustada aos dados (MONTGOMERY,

1997).

Os fatores relacionados a P-valor inferior ou igual a 0,05 são considerados

significativos. Os P-valores 0,040; 0,000 e 0,011, sublinhados na Tabela 4-2, mostram que os

fatores principais “velocidade de deformação” e “diâmetro” e a interação “velocidade de

deformação” e “diâmetro” foram influentes na medida do diâmetro do perfil da rosca

conformada. O valor de R² ajustado (93,3%) indica que o ajuste do modelo foi satisfatório.

O fato de um efeito não ser significativo em um experimento não implica

necessariamente que esse fator particular não seja importante. Significa apenas que a resposta

não é afetada por esse fator na faixa de valores pesquisada. Pode ser que um fator seja muito

relevante, mas que uma variação muito pequena nos níveis não acarrete nenhum efeito na

resposta (DRUMOND et al., 1993).

61

Um “efeito principal” está presente quando diferentes níveis do fator afetam a resposta

diferentemente e a “interação” existe quando a variação da média da resposta depende do

nível de um segundo fator. O efeito principal de um fator deve ser interpretado

individualmente apenas se não há evidência de que o fator não interage com outros fatores.

Quando um ou mais efeitos de interação são significativos, os fatores que interagem devem

ser considerados conjuntamente (DRUMOND et al., 1993).

Segundo Werkema e Aguiar (1996), se uma interação de ordem mais elevada for

significativa e o efeito principal também for, não faz sentido a interpretação do efeito

principal isolado, já que o fator depende do nível que está no outro fator. Dessa forma,

somente a interação velocidade de deformação e diâmetro será exibida (Figura 4-3). Gráficos

de interações são usados para visualização do efeito de interação de dois ou mais fatores

experimentais sobre a variável resposta e a comparação da significância relativa entre os

efeitos (WERKEMA; AGUIAR, 1996). A Figura 4-3 mostra a interação dos fatores

velocidade de deformação e diâmetro para o diâmetro do perfil de rosca conformado.

Figura 4-3 - Interação para a variável resposta diâmetro do perfil da rosca

conformado.


A redução da velocidade de deformação gerou uma variação de 5% do diâmetro do

perfil laminado para os diâmetros iniciais de 10,85; 11 e 11,15 mm. Já a variação dos níveis

de velocidade de deformação para o processo de roscamento apresentou um comportamento

distinto para cada diâmetro inicial da haste. Pode-se definir que esse comportamento foi

devido à inércia de deformação: para diâmetros iniciais menores, altas velocidades

promoveram diâmetros maiores e, para diâmetros maiores, menores velocidades formaram

diâmetros maiores.

62

O aumento dos diâmetros do perfil da rosca conformada ocorre com a redução da

velocidade de deformação à medida que o diâmetro inicial da haste de Ti-6Al-4V aumenta. A

diferença percentual do diâmetro conformado entre a maior e a menor velocidade de

deformação não é relevante, aproximadamente 0,75%. Observa-se que os diâmetros menores

das hastes apresentam maiores perfis de rosca com o aumento da velocidade de deformação.

4.1.2 Diferença de altura do filete de rosca (H)

Os valores das medidas H (altura do filete de rosca) variaram entre 0,462 e 0,858 mm.

A Tabela 4-3 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média da

variável resposta H, encontrando-se sublinhados os P-valores menores ou iguais a 0,05,

considerados significativos em um nível de 95% de significância. O valor de R² ajustado de

90,77% indica que o modelo se ajustou adequadamente aos resultados da altura do filete H

obtidos.

Tabela 4-3 - Análise de variância para a altura do filete H.



Pos. de medição 2 0,033584 0,033584 0,016792 13,040 0,000



medição 4 0,007493 0,007493 0,001873 1,4500 0,229

Vel. de deformação*


Pos. de medição* Diâmetro

inicial da haste 4 0,008784 0,008784 0,002196 1,7100 0,162


medição*Diâmetro inicial

da haste

8 0,001793 0,001793 0,000224 0,1700 0,994

Erro Residual 54 0,069535 0,069535 0,001288

R² 90,77%


63

A Figura 4-4 apresenta os gráficos de probabilidade normal para os resíduos, gráfico de

resíduos versus valores ajustados, histograma para os resíduos e resíduos versus ordem de

coleta dos dados para a validação do modelo da análise de variância (ANOVA).



Resíduos versus ordem dos dados.


Os gráficos de resíduos para a média da altura dos filetes H exibidos na Figura 4-4

apresentaram um comportamento que atende às condições de normalidade exigidas para a

validação do modelo de análise de variância:

Distribuição normal com média próxima a zero representada pelo gráfico de

probabilidade normal dos resíduos, histograma dos resíduos e pelo P-valor superior a

0,05, exibido pelo teste de normalidade de Anderson-Darling;

Variância constante (Gráfico de resíduos versus valores ajustados);

Independência e homogeneidade (Gráficos resíduos versus a ordem de observação dos

dados).

A Figura 4-5 apresenta o teste de normalidade de Anderson-Darling para a suposição de

distribuição normal para altura do filete H.

64


rosca conformado.


A Figura 4-6 exibe o gráfico de efeito principal da velocidade de deformação sobre a

altura do filete H. Os gráficos de efeitos principais apresentam uma melhor visualização dos

efeitos de cada um dos fatores envolvidos na Análise de Variância (ANOVA), investigando

quais variáveis controláveis possuem efeito significativo nas variáveis respostas. Como as

interações não foram significativas ilustram-se os efeitos principais dos fatores experimentais.

Figura 4-6 - Efeito principal do fator velocidade de deformação

sobre altura do perfil H.


65

O aumento da velocidade de deformação de 4,60 para 9,15 m/min proporcionou uma

redução de 3,77% na altura do filete H, enquanto no intervalo de 9,15-18,30 m/min ocorreu

um aumento de 3,71%. Observa-se que as velocidades de deformação mais baixa e mais alta

apresentaram uma linearidade, com valores médios da altura do filete aproximadamente

iguais. Logo, para que ocorra uma boa formação do filete e compressão do material, são

necessárias velocidades de deformação médias próximas a 9,15 m/min.

A posição de medição afeta diretamente a altura do perfil de rosca H. Ao alterar a faixa

de medida do início para o final, a altura do filete sofre uma redução de 0,687(7) mm para

0,638(8) mm, representando um decréscimo gradual de 7,11%. Esse comportamento confirma

a influência da posição de medição na média (Figura 4-7). Define-se a priori que essa

diferença ocorre devido ao tempo de contato com a pressão do rolo laminador, necessário para

uma boa formação e escoamento do material na formação do filete.

Existem sistemas de laminação que compactam a rosca por inteiro e que devem ser

utilizados nesse caso com intuito de minimizar, ou até extinguir, esse fator. Porém, deve-se

levar em conta o comprimento da rosca inferior ao comprimento do rolo ou placa laminador.

Figura 4-7 - Efeito principal do fator posição de medição

para altura do filete de rosca H.


O aumento do diâmetro inicial proporciona um acréscimo significativo de 26,45% na

altura do perfil de rosca H, conforme observado no gráfico de efeito principal exibido pela

Figura 4-8. Pode-se observar que a recuperação elástica do material à compressão foi alta,

formando duas retas com ângulos diferentes, sendo de 11,00 a 11,15 mm com inclinação

66

superior. O tipo de filete em forma de triângulo prevê menos material para a formação dos

diâmetros superiores. Contudo, deduz-se que o uso de grandes diâmetros para promover a

compactação do material não seria possível devido a uma recuperação elástica elevada do

material.

Figura 4-8 - Efeito principal do fator diâmetro sobre altura do filete H.


4.2 Roscamento por usinagem

Tabela 4-4 - Dados de medição rosca usinada.

USINAGEM

Método de

medição Pos.

RPM 530 Titânio RPM 1061 Titânio RPM 796 Titânio

R1/01 R2/02 R3/03 R1/04 R2/05 R3/06 R1/07 R2/08 R3/09

Micrometro

diâmetro

externo

I 11,929 11,943 11,943 12,130 12,135 12,064 12,022 12,091 12,024

M 11,914 11,926 11,918 12,063 12,085 12,084 12,027 12,033 12,009

F 11,881 11,893 11,904 11,995 12,010 11,998 11,946 11,980 11,982

Retro projetor

I 0,990 1,001 1,034 0,989 0,979 1,023 1,045 1,044 1,055

M 0,913 1,012 1,044 1,023 0,990 1,033 1,055 1,033 1,022

F 0,968 0,990 1,000 1,001 0,989 0,990 1,033 1,012 1,034


4.2.1 Diâmetro externo do Perfil de rosca usinado

Os valores das medidas do diâmetro externo do perfil de rosca usinado variaram entre

11,881 e 12,135 mm. A Tabela 4-5 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA)

67

para a média do diâmetro externo do perfil de rosca usinado, encontrando-se sublinhados os

P-valores menores ou iguais a 0,05, que são considerados significativos em um nível de 95%

de significância.

Tabela 4-5 - Análise de variância para o diâmetro externo do perfil de rosca usinado.


Vel. de usinagem 2 0,098935 0,098935 0,049467 107,790 0,000

Pos. de medição 2 0,027743 0,027743 0,013871 30,230 0,000

Vel. de usinagem * Pos.

de medição 4 0,003316 0,003316 0,000829 1,810 0,172

Erro Residual 18 0,008261 0,008261 0,000459

R² 94,03%


Os gráficos de probabilidade normal para os resíduos, gráfico de resíduos versus valores

ajustados, histograma para os resíduos, resíduos versus ordem de coleta dos dados (Figura

4-9) e normalização de Anderson-Darling (Figura 4-10), apresentaram um comportamento

que atende às condições de normalidade exigidas para a validação do modelo de análise de

variância:






dados).

68

Figura 4-9 - Resíduos para a média do diâmetro externo do perfil de rosca usinada:

(A) Probabilidade normal, (B) Resíduos versus valores ajustados, (C) Histograma e (D)



Figura 4-10 - Teste de normalidade de Anderson-Darling para validação do modelo

da análise de variância – diâmetro externo do perfil usinado.


A Figura 4-11exibe o efeito da velocidade de usinagem no diâmetro externo do perfil de

rosca usinado. Observa-se que maior nível de velocidade promove a obtenção de maiores

diâmetros para o perfil de rosca usinado. O aumento da velocidade de usinagem gera um

acréscimo gradual de 1,21% no diâmetro do perfil usinado.

69

Figura 4-11 - Efeito principal do fator velocidade de usinagem sobre o diâmetro

externo do perfil de rosca usinado.


O aumento do diâmetro pelo uso da velocidade de corte mais alta reforça a afirmativa

de alta recuperação elástica do material que, devido à rápida passagem da ferramenta, não

efetuou o corte de maneira efetiva por causa da recuperação elástica do material. A posição

inicial de medição exibe diâmetros externos superiores à posição do meio e final. A diferença

percentual dos diâmetros externos existente entre a posição inicial e final é de

aproximadamente 0,63% (Figura 4-12).

Figura 4-12 - Gráfico de efeito principal do fator experimental posição de medição.


Como se pode observar no gráfico, mesmo com um pequeno balanço devido à fixação

da ferramenta (que influencia na área usinada), a alta recuperação elástica do material

70

promoveu, no ponto mais próximo da placa de fixação, que corresponde à parte final da

medição, valores de diâmetros menores. Dessa forma, a flexão e a alta recuperação elástica

foram responsáveis por esse resultado. Com o intuito de minimizar esse fator, deve-se utilizar

o contraponto auxiliar do cabeçote móvel do equipamento para proporcionar uma rigidez

maior no sistema.

4.2.2 Altura do filete H

Os valores experimentais para a altura do filete H variaram entre 0,913 e 1,055 mm. A

Tabela 4-6 mostra os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média desse valor,

encontrando-se sublinhados os P-valores menores ou iguais a 0,05, que são considerados

significativos em um nível de 95% de significância. O valor de 85,42 do R² ajustado indica

que o ajuste do modelo foi satisfatório.

Tabela 4-6 - Análise de variância para a altura do filete H.


Vel. de usinagem 2 0,009231 0,009231 0,004616 5,92 0,011

Pos. de medição 2 0,001235 0,001235 0,000617 0,79 0,468

Vel. de usinagem * Pos.

de medição 4 0,001164 0,001164 0,000291 0,37 0,824

Erro Residual 18 0,014026 0,014026 0,000779

R² 85,42%


A Figura 4-13 e Figura 4-14, respectivamente mostra os gráficos de probabilidade

normal para os resíduos, gráfico de resíduos versus valores ajustados, histograma para os

resíduos, resíduos versus ordem de coleta dos dados e teste de normalidade de Anderson-

Darling para a validação do modelo da Análise de Variância:






dados).

71

Figura 4-13 - Resíduos para a média da altura do filete H rosca usinada: (A)





da análise de variância – altura do filete H rosca usinada.


A Figura 4-15 mostra o efeito da velocidade de usinagem sobre a média da altura do

filete H. O nível intermediário da velocidade de usinagem 29,13 m/min apresenta maiores

alturas do perfil de rosca. As diferenças percentuais das alturas dos filetes no intervalo de

72

velocidade de 19,40 a 29,13 m/min e 29,13 a 38,83 m/min são 4,08% e 3,86%,

respectivamente.

Figura 4-15 - Efeitos principais da velocidade de corte sobre a média

da altura do filete H.


Podemos observar no gráfico que, para o corte ideal do filete, é necessária uma

velocidade média próxima a 29,13 m/min, pois altas e baixas velocidades de corte

promoveram alturas menores para o filete.

4.3 Microindentação no roscamento por conformação

As microindentações no roscamento por conformação do titânio variaram entre 303 e

385 Hv. A Tabela 4-7 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média

das medidas de dureza Hv, encontrando-se sublinhados os P-valores menores ou iguais a 0,05,


83,76% indica que o modelo se ajustou adequadamente aos resultados obtidos. Observa-se

que a velocidade de deformação, a posição de medição e as interações entre a velocidade de

deformação com o diâmetro e a velocidade de deformação com a posição tiveram influência

sobre a resposta da microindentação.

73

Tabela 4-7 - Análise de variância para a média das microindentações.



Diâmetro inicial 2 213,1 213,1 106,5 0,89 0,415

Posição de medição 2 5746,4 5746,4 2873,2 24,09 0,000

Vel*Diâmetro 4 2447,5 2447,5 611,9 5,13 0,001

Vel*Posição 4 2036,9 2036,9 509,2 4,27 0,004

Diâmetro*Posição 4 609,4 609,4 152,3 1,28 0,290

Vel*Diâ*Pos 8 565,8 565,8 70,7 0,59 0,779

Erro Residual 54 6440 6440 119,3

R² 83,76%


A Figura 4-16 apresenta os gráficos de probabilidade normal para os resíduos, gráfico

de resíduos versus valores ajustados, histograma para os resíduos e resíduos versus ordem de






A Figura 4-17 apresenta o teste de normalidade de Anderson-Darling para a distribuição

normal para as microindentações.

74


da análise de variância – microindentação rosca conformada.


Os gráficos de resíduos para a média da dureza Hv exibidos na Figura 4-17








dados).

Segundo Werkema e Aguiar (1996), se uma interação de ordem mais elevada for

significativa e o efeito principal também for, não faz sentido a interpretação do efeito

principal isolado, já que o fator depende do nível que está no outro fator. Dessa forma,

somente as interações velocidade de deformação e diâmetro e velocidade de deformação e

posição de medição serão exibidas (Figura 4-18).

A Figura 4-18 exibe a interação dos fatores velocidade de deformação e diâmetro para o

diâmetro do perfil de rosca conformado.

75

Figura 4-18 - Interação velocidade de deformação x diâmetro inicial para a média da

microindentação.


Observa-se que é necessária uma velocidade intermediária de deformação para que

exista tempo de ocorrer a compactação do material. Assim, menores velocidades não

promoveram a compactação devido à falta de inércia da compactação, e altas velocidades

devido ao baixo tempo de contato e alta recuperação elástica do material também não ajudam

na compactação.

O aumento da velocidade de deformação gerou uma variação de 6,78; 9,48 e 2,06% da

dureza Hv para os diâmetros de 10,85; 11,00 e 11,15 mm, respectivamente. A variação dos

níveis de velocidade de deformação para o processo de laminação apresentou um

comportamento distinto para cada diâmetro inicial da haste de titânio, apresentando um pico

significativo para o diâmetro de 11 mm e velocidade de deformação de 9,15 m/min.

Observa-se que, para a menor velocidade de deformação, menores diâmetros resultaram

em maior dureza Hv. Entretanto, para diâmetros maiores, aconselha-se o emprego de maior

rotação. Isso ocorre devido ao fato de o cabeçote laminador ser parametrizado com rotações

constantes. Dessa forma, não se pode prever o mecanismo em função da velocidade de

deformação. Portanto, sugere-se que a variação do diâmetro da rosca terá influência direta na

rotação e, consequentemente, na velocidade de deformação. Assim, ajustes na rotação em

função do diâmetro a ser roscado e da velocidade que se deseja utilizar devem ser previstos. A

Figura 4-19 exibe a interação dos fatores velocidade de deformação e posição de medição

para a média da microindentação Hv.

76

Figura 4-19 - Interação velocidade de deformação x posição de medição para a média

das microindentações.


O aumento da velocidade de deformação resultou em uma redução de 5,06% e 3,98%,

respectivamente, na dureza Hv da crista e na base da rosca. A diferença percentual das

microdurezas entre a maior e a menor velocidade de deformação na região do meio foi

aproximadamente 9,57%. Observa-se que as maiores durezas Hv estão na região central. Para

a maior velocidade de deformação (18,30 m/min), a base da rosca foi a região com maior

dureza Hv, diferentemente das velocidades de 4,60 e 9,15 m/min, demonstrando uma

tendência de que maiores velocidades acarretam maiores durezas na base da rosca. Contudo,

altas velocidades não foram ideais para a compactação do material e para promover a redução

da dureza no meio do parafuso devido ao esforço de laminação.

4.4 Microindentação no roscamento por usinagem

As microindentações no roscamento por usinagem do titânio variaram entre 303 e 385

Hv. A Tabela 4-8 apresenta os resultados da análise de variância (ANOVA) para a média das

medidas de dureza Hv, encontrando-se sublinhados os P-valores menores ou iguais a 0,05,


81,10% indica que o modelo se ajustou adequadamente aos resultados obtidos.

77

Tabela 4-8 - Análise de variância para a média das microindentações.


Vel. de deformação 2 126 126 63 0,64 0,540

Diâmetro inicial 2 3174,89 3174,89 1587,44 16,05 0,000

Vel*Posição 4 1079,11 1079,11 269,78 2,73 0,062

Erro Residual 18 1780 1780 98,89

R² 81,10%

A Figura 4-20 apresenta os gráficos de probabilidade normal para os resíduos, gráfico

de resíduos versus valores ajustados, histograma para os resíduos e resíduos versus ordem de






A Figura 4-21 apresenta o teste de normalidade de Anderson-Darling para a suposição

de distribuição normal para as microindentações.

78


da análise de variância – microindentação rosca usinada.


Os gráficos de resíduos para a média da dureza Hv exibidos na Figura 4-21



Distribuição normal com média próxima à zero representada pelo gráfico de





dados).

A Figura 4-22 mostra o efeito principal da posição de medição para a média da

microindentação Hv para o processo de roscamento por usinagem. Observa-se que a região da

crista da rosca apresentou menor dureza Hv que as regiões centrais e da base, que

apresentaram aproximadamente médias similares. A diferença percentual das microdurezas

entre a região da crista e a região central foi 6,68%. Acredita-se que essa diferença se deu

devido ao corte e movimentação estrutural no material promovido pelo esforço de corte da

ferramenta.

79

Figura 4-22 - Efeito principal da posição de medição sobre a média das microdurezas.


4.5 Análise da microestrutura

Para a análise da microestrutura do material, foi selecionada uma amostra de cada

processo, usinado e conformado. A Figura 4-23 mostra a fotografia retirada por microscópio

ótico da amostra conformada, diâmetro inicial 11,00 mm e 265 rpm. Observa-se a existência

de adensamento da microestrutura do material, que é uma das características da rosca

laminada.

Segundo Emuge (2010), na rosca por laminação pode acontecer uma deformação visível

da estrutura do material conforme pode ser observado na Figura 4-23. Isso ocorre devido à

deformação na área do fundo da rosca, assim como na área perto do flanco da rosca, que é

resultado do encruamento do material. Adicionalmente, movimenta-se um volume do material

devido ao formato do raio no fundo da rosca, o que pode gerar uma concentração de tensão.

Dessa forma, esse fenômeno provoca uma redução do efeito entalhadura no material

laminado, aumentando, assim, a sua resistência quando submetido a cargas dinâmicas.

80

Figura 4-23 - Fotografia de microscópio ótico amostra conformada.


A Figura 4-24 mostra uma fotografia retirada com a ajuda de um microscópio ótico com

uma amostra usinada com rotação de 796 rpm. Pode-se perceber a uniformidade da

microestrutura do material. Logo, pode-se afirmar que não ocorreu adensamento da

microestrutura do material para as roscas usinadas.

Figura 4-24 - Fotografia de microscópio ótico amostra usinada.


Encruamento dos grãos do

material devido a laminação

das roscas

Uniformidade dos grãos do

material

81

CAPÍTULO 5

5 CONCLUSÕES

Baseado nos dados e nas análises dos resultados realizadas neste trabalho, pode-se

concluir que:

- O processo de laminação de roscas, considerando-se o diâmetro e a altura do perfil

“H”, mostrou que a velocidade de deformação e o diâmetro inicial da haste são os fatores que

mais têm significância. Para a velocidade de deformação, existe um ponto ideal intermediário,

onde a inércia de conformação provoca o melhor encruamento dos grãos e,

consequentemente, uma geração de perfis mais bem formados.

- O diâmetro inicial é o fator mais relevante para a formação do diâmetro. A alta

recuperação elástica do material pode ser confirmada em grandes diâmetros, onde não houve

redução do diâmetro da rosca. Pode-se observar também que o método aplicado para a

laminação não é o ideal devido à diferença entre início, meio e fim na altura do perfil “H”.

Pode-se, dessa forma, constatar o encruamento dos grãos do material e a melhoria da

qualidade do perfil da rosca, o que resulta em uma rosca mais resistente.

- Os dados obtidos no processo de usinagem da rosca mostraram, pela análise do

diâmetro e altura do perfil de rosca, que existe uma alta recuperação elástica do material. Isso

pode ser evidenciado pelo pequeno balanço do material na fixação dos corpos de prova

durante o processo ser significativo para influenciar as medidas no início, meio e final da

amostra. Portanto, considerando-se a diferença gerada pela velocidade de corte, deve-se usar

os níveis intermediários com o intuito de usinar o perfil com melhor qualidade.

Dessa forma, pode-se concluir que o processo de roscamento por laminação formou

perfis de rosca com mais qualidade, o que gera um encruamento na estrutura cristalina do

material, podendo, em alguns casos, aumentar sua resistência.

83

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