MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE - FURG

Escola de Engenharia

Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica

PPMec

Geordano de Moura Valadão

ESTUDO NA FORMAÇÃO DE REBARBAS NA USINAGEM FRESA

COM FRESA DE TOPO RETO EM ALUMÍNIO 6070-T4

Dissertação para Obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica

Rio Grande, Março de 2016

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE - FURG

Escola de Engenharia

Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica

PPMec

Geordano de Moura Valadão

ESTUDO NA FORMAÇÃO DE REBARBAS NA USINAGEM FRESA

COM FRESA DE TOPO RETO EM ALUMÍNIO 6070-T4

Orientador: Prof. Cleiton Rodrigues Teixeira, Dr.

Rio Grande, Março de 2016

À minha família que tanto amo e aos

amigos do peito

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Cleiton Rodrigues Teixeira, pela orientação, por sua dedicação, pelo

apoio e pela paciência, sem os quais não teria concluído este trabalho.

Ao Prof. Carlos Casanova, pelos ensinamentos e apoio no manuseio de

equipamentos e fabricação de dispositivos auxiliares.

A todos os colegas do PPMec/FURG, pela ajuda neste período de estudos e,

principalmente, pela grande amizade que formamos, em especial: Daniela Oliveira,

Thais Passos, Adilar dos Santos, Tárique Shneider, Edilson Pollnow e Willian Almeida.

Aos professores e técnicos do PPMec/FURG, pelos ensinamentos e apoio nas

realizações dos ensaios.

A equipe do CEME-Sul da FURG, pela colaboração nas análises com MEV.

Ao curso de Fabricação Mecânica do IFRS – Campus Rio Grande, pelo apoio,

e amizade dos colegas professores, pelo aprendizado com os alunos e pela

disponibilidade dos laboratórios.

A minha querida companheira Giselle Perazzo, pela ajuda, pela paciência,

pelos conselhos, pelo aprendizado e pela presença. Foi de fundamental importância

na escrita desta dissertação.

Aos meus pais, por sempre me incentivarem a seguir em frente nos estudos.

Sem a dedicação e sacrifício deles não teria chegado ao mestrado.

A FAPERGS, pelo apoio financeiro.

“Ora, esse precioso metal tem a brancura da

prata, a indestrutibilidade do ouro, a

tenacidade do ferro, a fusibilidade do cobre e

a leveza do vidro; trabalha-se facilmente e

está muito disseminado na natureza, visto

que forma a base da maioria das rochas. É

três vezes mais leve que o ferro, e parece ter

sido criado expressamente para nos fornecer

o material para o nosso projétil!”

(Júlio Verne, "Da Terra à Lua", 1865)

RESUMO

Nos processos de produção, cada vez mais são exigidas estreitas tolerâncias

dimensionais e alto grau de acabamento superficial das peças fabricadas. A formação

de rebarba é um importante tópico no estudo da usinagem onde se busca reduzir ao

máximo os processos pós usinagem, como a rebarbação, que aumentam os custos e

não agregam valor ao produto. Ainda não é possível eliminar a rebarba, entretanto é

possível minimizar seu tamanho e facilitar sua remoção através da escolha adequada

dos parâmetros de corte. Portanto, é necessário entender o mecanismo de formação

da rebarba e a influência dos parâmetros de corte envolvidos. Este trabalho buscou

identificar a influência dos parâmetros de corte nas dimensões da rebarba (de topo e

lateral) formada durante o fresamento de topo de uma liga de alumínio, apontando

estratégias de usinagem mais adequadas para sua diminuição. Para isso, foram

realizados ensaios que consistiram em fresamento de canais periféricos com fresa

inteiriça de topo reto, sendo os ensaios arranjados por um planejamento fatorial

completo. Velocidade de corte, avanço por dente, profundidade de corte, largura de

corte e o sentido de corte foram os parâmetros investigados. O comportamento das

componentes da força de usinagem (Fx, Fy e Fz) também foram avaliados, buscando-

se identificar sua relação com as dimensões das rebarbas. Como resultado, os

parâmetros de corte apresentaram forte influência na formação da rebarba, porém, os

parâmetros que influenciaram na rebarba lateral não forma os mesmo influentes na

rebarba de topo. No corte concordante se obteve menor formação de rebarba em

relação ao discordante. As componentes da força de usinagem não apresentaram

relação com as dimensões da rebarba.

ABSTRACT

In the manufacturing processes, there is increasing demand to tight dimensional

tolerances and high quality surface finish of the parts. Burr formation is an important

topic in the study of machining where it seeks to reduce the post machining processes

such as deburring, which increase costs and do not add value to the product. Still can

not eliminate the burr but is possible minimize its size and facilitate its removal through

proper choice of cutting parameters. Therefore, it is necessary to understand the burr

formation mechanism and the influence of cutting parameters involved. This work

aimed to identify the influence of cutting parameters on the dimensions of Burr (top

and side burr) formed during the end milling of aluminum alloy, pointing most suitable

machining strategies for its reduction. To this end, tests were performed which

consisted of peripheral slot milling with tests arranged by a full factorial design. Cutting

speed, feed per tooth, cutting depth, cutting width and mode of milling were the cutting

parameters investigated. The behavior of the components of the machining force (Fx,

Fy and Fz) were also evaluated, seeking to identify their relationship to the burr size.

As a result, the cutting parameters have strong influence on the burr formation.

However, the parameters that influence the side burr not form the same influential in

the top burr. Down milling showed lesser burr formation compared to up milling. The

components of the machining force had no good relationship with the burr size.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 18

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 20

2.1. Processo de Fresamento ............................................................................. 20

2.2. Mecanismo de Formação do Cavaco ........................................................... 23

2.3. Formação das Rebarbas .............................................................................. 25

2.3.1. Definições .............................................................................................. 25

2.3.2. Mecanismo de Formação da Rebarba ................................................... 26

2.3.3. Classificação da Rebarba ...................................................................... 28

2.2.4 Efeito dos Parâmetros de Corte na Formação da Rebarba ................... 33

2.4. Forças no Fresamento ................................................................................. 37

3. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 40

3.1. Planejamento Experimental ......................................................................... 40

3.2. Corpos de Prova (CPs) ................................................................................ 42

3.3. Ensaios de Fresamento ............................................................................... 44

3.4. Medição das Rebarbas ................................................................................ 49

3.5. Análise da Força de Corte ............................................................................ 51

3.6. Análise Estatística ........................................................................................ 52

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................ 54

4.1. Ensaios com Atuação Discordante da Ferramenta ...................................... 54

4.1.1. Dimensões da Rebarba de Topo com Corte Discordante ..................... 54

4.1.2. Dimensões da Rebarba Lateral com Corte Discordante ........................ 64

4.2. Ensaios com Atuação Concordante da Ferramenta ..................................... 74

4.2.1. Dimensões da Rebarba de Topo com Corte Concordante .................... 74

4.2.2. Dimensões da Rebarba Lateral com Corte Concordante ...................... 82

4.3. Comparativo Entre Corte Concordante e Discordante ................................. 90

4.4. Otimização dos Parâmetros de Corte .......................................................... 90

5. CONCLUSÕES ................................................................................................... 93

6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................. 95

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

ANEXO I – CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO DINAMÔMETRO ......................... 99

ANEXO II – CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO AMPLIFICADOR ...................... 100

ANEXO III – PLANO DE ENSAIOS ......................................................................... 101

ANEXO IV – ANÁLISE QUÍMICA DA LIGA USINADA ............................................ 102

ANEXO V – IMAGENS DOS CPs USINADOS (CORTE CONCORDANTE) ........... 103

ANEXO VI – IMAGENS DOS CPs USINADOS (CORTE DISCORDANTE) ............ 106

ANEXO VII – RESULTADOS GERAIS (CORTE DISCORDANTE) ......................... 109

ANEXO VIII – RESULTADOS GERAIS (CORTE CONCORDANTE) ...................... 111

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Tipos básicos de fresamento: (a) frontal e (b) periférico ou tangencial.

Adaptado de (KÖNIG, 1990) ..................................................................................... 21

Figura 2 - Tipos de fresas de topo. Retirado de (MACEDO, 2001) ........................... 21

Figura 3 - Direções de corte no fresamento de topo. Retirado de (POLLI, 2005) ..... 22

Figura 4 - Plano de cisalhamento durante a formação do cavaco. Adaptado de

(DINIZ, 2001). ............................................................................................................ 23

Figura 5 - Representação da espessura do cavaco no fresamento de topo ............. 24

Figura 6 – Representações típicas de rebarba. Adaptado de (GILLESPIE, 1999) .... 25

Figura 7 - Medição de uma rebarba. Adaptado de (NIKNAM; ZEDAN; SONGMENE,

2014) ......................................................................................................................... 26

Figura 8 - Representação do processo de formação da rebarba em corte ortogonal.

Adaptado de (KO; DORNFELD, 1996) ...................................................................... 27

Figura 9 – Ilustração do processo de formação da rebarba em corte ortogonal.

Adaptado de (HASHIMURA; DORNFELD, 1999) ...................................................... 27

Figura 10 - Representação da rebarba (a) tipo Poisson, (b) tipo Roll over e (c) tipo

Tear. Adaptado de (Gillespie & Blotter, 1976 a) ........................................................ 29

Figura 11 - Localização das rebarbas. Adaptado de (Gillespie, 1976 b) ................... 30

Figura 12 - Formação de rebarba em alguns processos de usinagem. Adaptado de

(NAKAYAMA; ARAI, 1987). ....................................................................................... 31

Figura 13 - Transição de rebarba primária para secundária em fresamento de

faceamento. Adaptado de (OLVERA; BARROW, 1996) ........................................... 32

Figura 14 - Morfologia das rebarbas primárias em fresamento de faceamento.

Adaptado de (CHERN, 1993). ................................................................................... 32

Figura 15 – (a) Altura e morfologia da rebarba em função do AS. (b) forma de

medição do AS. Adaptado de (CHERN, 2006). ......................................................... 33

Figura 16 - Efeito de velocidade de corte na altura da rebarba. (a) Rebarba 1 e 9

adaptado de (OLVERA; BARROW, 1996). (b) Rebarba 1 adaptado de (NIKNAM;

SONGMENE, 2013). ................................................................................................. 34

Figura 17 - Efeito do avanço da altura da rebarba. (a) Rebarba 1 e 9 adaptado de

(OLVERA; BARROW, 1996). (b) Rebarba 1 adaptado de (NIKNAM; SONGMENE,

2013) ......................................................................................................................... 35

Figura 18 - Efeito do avanço da profundidade de corte na rebarba 1. (a) Adaptado de

(OLVERA; BARROW, 1996). (b) Adaptado de (NIKNAM; SONGMENE, 2013) ........ 36

Figura 19 - Formas de rebarbas primárias devido a direção de saída da aresta de

corte. Adaptado de (CHERN, 2006). ......................................................................... 37

Figura 20 - Transição de rebarba primária para secundária com diferentes AS.

Adaptado de (CHERN, 2006). ................................................................................... 37

Figura 21 - Componentes da força de usinagem: Fx, Fy e Fz .................................. 38

Figura 22 - Componentes da força de usinagem nas direções x, y e z. Adaptado de

(NIKNAM, 2013) ........................................................................................................ 39

Figura 23 - Representação de CP submetido a fresamento de canais periféricos e

localização das rebarbas analisadas ......................................................................... 40

Figura 24 - Representação do corpo de prova (a) antes do fresamento e (b) fresado

no sentido concordante e discordante. ...................................................................... 42

Figura 25 – (a) CU Haas VF3 e (b) fresa de metal duro montada em cone hidráulico

para altas rotações .................................................................................................... 45

Figura 26 - Sistema de aquisição de forças .............................................................. 45

Figura 27 - Eixos de referência para medição de força ............................................. 47

Figura 28 - Montagem do dinamômetro, da morsa, do CP e do bico injetor de ar

comprimido ................................................................................................................ 47

Figura 29 - Rotina de desbaste antes do ensaio ....................................................... 48

Figura 30 - Roteiro de execução para os ensaios de fresamento ............................. 49

Figura 31 - Microscópio óptico (marca Leica) ............................................................ 50

Figura 32 – Medição de espessura com microscópio óptico focado na rebarba ....... 51

Figura 33 - Seleção de intervalo para cálculo das médias de FYN e FYP ................ 52

Figura 34 - Formação de rebarba de topo primária em corte discordante ................ 55

Figura 35 - Formação de rebarba de topo secundária em corte discordante ............ 56

Figura 36 - Efeito dos parâmetros de corte em HT_D, com 95% de IC. ................... 58

Figura 37 - Efeito da interação de fz*ae em HT_D, com 95% IC .............................. 58

Figura 38 - Gráfico de dispersão e regressão linear FZN x HT_D, com 95% de IC .. 60

Figura 39 - Efeito dos parâmetros de corte em ET_D, com 95% de IC ..................... 62

Figura 40 - Efeito da interação fz*ae na ET_D, com 95% de IC................................ 62

Figura 41 - Efeito da interação ap*ae na ET_D, com 95% de IC .............................. 63

Figura 42 - Efeito da interação fz*ap na ET_D, com 95% de IC................................ 63

Figura 43 - Gráfico de dispersão e regressão linear FZN x ET_D, com 95% de IC .. 64

Figura 44 - Atuação da ferramenta em corte discordante nas condições de interação:

(a) 1/4D e (b) 3/4D .................................................................................................... 65

Figura 45 - Rebarba lateral em corte discordante com ae=1/4D (350x) .................... 66

Figura 46 - Rebarba lateral em corte discordante com ae=3/4D (150x) .................... 66

Figura 47 - Efeito dos parâmetros de corte em HL_D, com 95% de IC ..................... 68

Figura 48 - Efeito da interação fz*ap em HL_D com 95% de IC................................ 68

Figura 49 - Efeito da interação fz*ae em HL_D com 95% de IC................................ 69

Figura 50 - Efeito da interação ap*ae em HL_D com 95% de IC .............................. 69

Figura 51 - Gráfico de dispersão e regressão linear FZN x HL_D, com 95% de IC .. 70

Figura 52 - Efeito dos parâmetros de corte em EL_D, com 95% de IC ..................... 72

Figura 53 - Efeito da interação fz*ap em EL_D com 95% de IC ................................ 72

Figura 54 - Gráfico de dispersão e regressão linear FZN x EL_D, com 95% de IC .. 73

Figura 55 - Sentido de corte concordante ................................................................. 74

Figura 56 - Rebarba de topo em corte concordante .................................................. 75

Figura 57 - Efeito dos parâmetros de corte em HT_C, com 95% de IC .................... 77

Figura 58 - Efeito da interação fz*ap em HT_C com 95% de IC ............................... 77

Figura 59 - Efeito da interação Vc*fz em HT_C com 95% de IC ............................... 78

Figura 60 - Gráfico de dispersão e regressão linear FZN x HT_C, com 95% de IC .. 79

Figura 61 - Efeito dos parâmetros de corte na ET_C, com 95% de IC ...................... 80

Figura 62 - Efeito da interação fz*ae em ET_C com 95% de IC................................ 81

Figura 63 - Gráfico de dispersão e regressão linear FZN x ET_C, com 95% de IC .. 82

Figura 64 - Rebarba lateral em corte concordante .................................................... 83

Figura 65 - Efeito dos parâmetros de corte na HL_C, com 95% de IC ...................... 84

Figura 66 - Efeito da interação fz*ae em HL_C com 95% de IC................................ 85

Figura 67 - Gráfico de dispersão e regressão linear FXP x HL_C, com 95% de IC .. 86

Figura 68 - Efeito dos parâmetros de corte na EL_C, com 95% de IC ...................... 87

Figura 69 - Efeito da interação fz*ae em EL_C com 95% de IC ................................ 88

Figura 70 - Efeito da interação fz*Vc em EL_C com 95% de IC................................ 88

Figura 71 - Gráfico de dispersão e regressão linear FZP x EL_C, com 95% de IC ... 89

Figura 72 - Dimensões médias das rebarbas nos sentidos de corte concordante e

discordante ................................................................................................................ 90

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Parâmetros de corte selecionados ........................................................... 42

Tabela 2 - Composição química da liga testada comparada a um padrão ASTM

aproximado. Adaptado de ASM International Handbook Vol.2 ................................. 43

Tabela 3 - Medidas de dureza da liga de alumínio testada ....................................... 43

Tabela 4 - Dados de ANOVA para HT_D .................................................................. 57

Tabela 5 - Análise de regressão linear das componentes de força com HT_D ......... 59

Tabela 6 - Dados de ANOVA para ET_D .................................................................. 61

Tabela 7 – Análise de regressão linear das componentes de força com ET_D ........ 64

Tabela 8 - Dados de ANOVA para HL_D .................................................................. 67

Tabela 9 - Análise de regressão linear das componentes de força com HL_D ......... 70

Tabela 10 - Dados de ANOVA para EL_D ................................................................ 71

Tabela 11 - Análise de regressão linear das componentes de força com EL_D ....... 73

Tabela 12 - Dados de ANOVA para HT_C ................................................................ 76

Tabela 13 - Análise de regressão linear das componentes de força com HT_C ....... 78

Tabela 14 - Dados de ANOVA para ET_C ................................................................ 80

Tabela 15 - Análise de regressão linear das componentes de força com ET_C ....... 81

Tabela 16 - Dados de ANOVA para HL_C ................................................................ 84

Tabela 17 - Análise de regressão linear das componentes de força com HL_C ....... 85

Tabela 18 - Dados de ANOVA para EL_C ................................................................ 87

Tabela 19 - Análise de regressão linear das componentes de força com EL_C ....... 89

Tabela 20 – Análise de otimização dos parâmetros de corte .................................... 91

Tabela 21 - Seleção dos parâmetros de corte........................................................... 91

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Vc Velocidade de corte [m/min]

fz Avanço por dente [mm/z]

ap Profundidade de corte [mm]

ae Largura de corte [mm]

AS Ângulo de saída da aresta de corte [°]

ɣ Ângulo da superfície de saída da ferramenta [°]

ɸ Ângulo de cisalhamento principal [°]

ɸ’ Ângulo de cisalhamento negativo [°]

ɸ’0 Ângulo de cisalhamento negativo inicial [°]

φ Arco de contato da aresta de corte com a peça [°]

hmax Espessura máxima do cavaco [mm]

D Diâmetro da fresa [mm]

CP Corpo de prova

HT_C Altura da rebarba de topo em corte concordante [µm]

HT_D Altura da rebarba de topo em corte discordante [µm]

HL_C Altura da rebarba lateral em corte concordante [µm]

HL_D Altura da rebarba lateral em corte discordante [µm]

ET_C Espessura da rebarba de topo em corte concordante [µm]

ET_D Espessura da rebarba de topo em corte discordante [µm]

EL_C Espessura da rebarba latera em corte concordante [µm]

EL_D Espessura da rebarba lateral em corte discordante [µm]

Fx Força de corte na direção x [N]

Fy Força de corte na direção y [N]

Fz Força de corte na direção z [N]

FXP Valores positivos da força de corte na direção x [N]

FXN Valores negativos da força de corte na direção x [N]

FYP Valores positivos da força de corte na direção y [N]

FYN Valores negativos da força de corte na direção y [N]

FZP Valores positivos da força de corte na direção z [N]

FZN Valores negativos da força de corte na direção z [N]