implantação de cortadores de dentes de engrenagens tipo...
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
Abel Tito Braga de Oliveira
Implantação de Cortadores de Dentes de
Engrenagens Tipo Caracol com Pastilhas
Intercambiáveis de Metal Duro em
Indústria de Redutores Agrícolas
CAMPINAS
2017
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Abel Tito Braga de Oliveira
Implantação de Cortadores de Dentes de
Engrenagens Tipo Caracol com Pastilhas
Intercambiáveis de Metal Duro em
Indústria de Redutores Agrícolas
Orientador: Prof. Dr. Anselmo Eduardo Diniz
CAMPINAS
2017
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade
de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual
de Campinas como parte dos requisitos exigidos
para obtenção do título de Mestre em Engenharia
Mecânica, na Área de MATERIAIS E
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE
À VERSÃO FINAL DA
DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO
ALUNO ABEL TITO BRAGA DE
OLIVEIRA, E ORIENTADA PELO
PROF. DR. ANSELMO EDUARDO
DINIZ.
------------------------------------------
ASSINATURA DO ORIENTADOR
3
CAMPINAS
2017
4
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MANUFATURA DE
MATERIAIS
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADEMICO
Implantação de Cortadores de Dentes de
Engrenagens Tipo Caracol com Pastilhas
Intercambiáveis de Metal Duro em
Indústria de Redutores Agrícolas
Autor: Abel Tito Braga de Oliveira
Orientador: Prof. Dr. Anselmo Eduardo Diniz
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
______________________________________
Prof. Dr. Anselmo Eduardo Diniz, Presidente.
Instituição: UNICAMP
______________________________________
Prof. Dr. Olívio Novaski
Instituição: UNICAMP
______________________________________
Prof. Dr. João Roberto Ferreira
Instituição: UNIFEI - Itajubá
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo
de vida acadêmica do aluno.
Campinas, 11 de dezembro de 2017.
5
Dedicatória
Ao Senhor Deus, pois Dele vem tudo que tenho.
A Ele toda honra e toda glória para todo sempre.
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Agradecimentos
Ao Professor Doutor Anselmo Eduardo Diniz pela amizade, pelo incentivo apoio
durante a realização dos trabalhos.
Ao Eng. Hiram Andreazza de Freitas (Diretor Industrial da Empresa SEW-
EURODRIVE BRASIL) pelo apoio incentivo e liberação para assistir as aulas e
realização da parte prática.
A minha esposa Flávia e aos meus filhos Isabelle e Pedro pelo incentivo e
paciência nos momentos em que precisei me dedicar aos estudos.
Ao meu pai, Pedro Antonio, e minha mãe Maria Braga que me educaram para que
eu valorizasse a educação e o ensino.
Aos meus colegas de trabalho, pelo apoio durante a execução dos ensaios
práticos: Oziris Barboza, Édson Figueiredo, Sandro Oliveira, Alberto Lemes, Sérgio
Melquiades, Claudemir Menezes, Rafael Carneiro, Luiz Roda, Luiz Calado, Alex Daré,
Marcelo Moller, Otávio Martins, Paulo Lopes e Willian Mariano.
Aos parceiros comerciais que de forma direta ou indiretamente me ajudaram:
Klaus Tavares da empresa Lear Corporation, que estudamos as matérias juntos e
compartilhou momentos de estudos; Julio Araujo da empresa Arbus pelo envio de
material técnico da empresa Gleason; Marco Pereira, Francisco Cavichiolli e Cláudio
Camacho da empresa Sandvik Coromant pelo apoio na obtenção da ferramenta e na
realização dos testes; Jeferson e Felipe Abud da Liebherr Brasil, pela colaboração e
disponibilização de materiais técnicos.
Aos colegas da FEM da Unicamp: Daniel e Ari que me ajudaram nas pesquisas
bibliográficas e na medição do desgaste das pastilhas.
Aos Professores doutores Amauri Hassui, Olívio Novaski e João Roberto
Ferreira que participaram da minha qualificação e da minha defesa e contribuíram para
o aprimoramento deste trabalho.
7
Resumo
O tempo em uma indústria manufatureira é uma grandeza muito importante, pois
quanto menor o tempo de usinagem de uma peça, maior será a oportunidade de se obter
uma quantidade maior de peças e por consequência reduzir o custo unitário de
fabricação. Dentro desta perspectiva, o objetivo deste trabalho é estudar a utilização de
ferramenta do tipo caracol com inserto intercambiável de metal duro na usinagem de
engrenagens, que significa uma inovação tecnológica para este processo, a fim de que se
viabilize a utilização de maiores velocidades de cortes e com isso, se possa obter
menores tempos de ciclo na operação de fresamento de dentes de engrenagens.
Este trabalho procura estudar:
- A Variação dos desvios Fα, Fβ e ffβ de engrenamento para os caracóis com
insertos de metal duro como também para os caracóis de aço rápido para engrenagens
de módulos 3 e 6;
- O Estudo de vida do caracol módulo 3 de aço rápido e com insertos de metal
duro com as coberturas TiAlN PVD e TiAlCrN PVD;
- A Viabilidade econômica da utilização do caracol de metal duro em
substituição ao caracol de aço rápido.
Foi possível concluir ao final do trabalho que é viável a utilização de caracol
com insertos intercambiáveis de metal duro, tanto tecnicamente quanto economicamente
e que é possível utilizar velocidades de cortes maiores com este caracol quando
comparado ao caracol inteiriço de aço rápido, conseguindo-se assim significativa
redução do tempo de usinagem.
Palavras chave:
Caracol com insertos intercambiáveis; Usinagem de engrenagens; Fresa Caracol; Aço
Rápido; Metal Duro.
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Abstract
The time in a manufacturing industry is a very important parameter, because the
shorter cycle time, the greater the opportunity to obtain a higher quantity of parts and
consequently to reduce the unit manufacturing cost. In this perspective, the objective of
this work is to study the technological innovation of gear milling using interchangeable
carbide inserts hob and, consequently, to make the use of higher cutting speeds feasible
in order to reach shorter cycle times in the gear hob operation.
This work aims to study:
- Fα, Fβ and ffβ deviations of the gear: obtained when using interchangeable
carbide inserts hob and high-speed steel hob as gear milling tools for modules 3 and 6.
- Hob tool life for the milling of module 3 gears using both, high-speed steel hob
and interchangeable carbide inserts hob with TiAlN PVD and TiAlCrN PVD coating.
- Economic viability of the use of interchangeable carbide inserts hob to replace
high-speed steel hob.
It was possible to conclude at the end of the work that it is technically and
economically feasible to use interchangeable carbide inserts hob and, with this tool, it
was possible to higher cutting speeds when compared to the use of high-speed steel hob,
which led to the reduction of machining time.
Key words:
Hob; Gear Manufacturing; Interchangeable Carbide Inserts Hob; Carbide; High-Speed
Steel.
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LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1: Engrenagem Cilíndrica de Dentes Retos (SANTOS JUNIOR, 2003) ......... 19
Figura 2.2: Construção da Evolvente (LIEBHERR, 2008) ............................................ 20
Figura 2.3: Ilustração de alguns termos de engrenagens (LIEBHERR, 2008) ............... 21
Figura 2.4: Ponta e raiz do dente (LIEBHERR, 2008) ................................................... 21
Figura 2.5: Protuberância (LIEBHERR, 2008) .............................................................. 22
Figura 2.6: Ilustração do passo em uma engrenagem ..................................................... 23
Figura 2.7: Módulo e número de dentes. (FLORES e GOMES, 2014) .......................... 24
Figura 3.1: Processos para a Fabricação de engrenagens (LIEBHERR, 2008) com
adaptações de (STADTFELD,2014) e (SANDVIK,2017) ..................................... 25
Figura 3.2: Movimento dos eixos da máquina (LIEBHERR, 2008) .............................. 27
Figura 3.3: Exemplo de corte de engrenagem com caracol HOB (LIEBHERR, 2008) . 27
Figura 3.4: Esquema de ferramenta para corte tipo HOB (LANGE, 2003) ................... 28
Figura 3.5: Famílias de Tangentes (QUIRINO, 2000) ................................................... 29
Figura 3.6: Etapas da formação de um dente de engrenagem. (PHILLIPS, 1998) ........ 30
Figura 3.7: A formação do cavaco no fresamento de dentes. (SANDVIK, 2015) ......... 31
Figura 3.8: Formação do cavaco no caracol. (LIEBHERR, 2008) ................................. 31
Figura 3.9: Fresamento de dentes axial (LIEBHERR, 2008) ......................................... 32
Figura 3.10: Fresamento de dentes tangencial (LIEBHERR, 2008) .............................. 35
Figura 3.11: Fresamento de dentes Diagonal (LIEBHERR, 2008) ................................ 36
Figura 3.12: Fresa singela ou disco de corte. (LMT FETTE, 2017) .............................. 37
Figura 3.13: Disco de Corte com pastilhas intercambiáveis. (SANDVIK, 2017) .......... 37
Figura 3.14: Disco duplo de corte (SANDVIK, 2017) ................................................... 38
Figura 3.15: Fresa Caracol com furo central (LMT FETTE, 2010) ............................... 39
Figura 3.16: Gráfico de Torque x rotação (WINKEL,2009) .......................................... 41
Figura 3.17: Caracol com pastilhas intercambiáveis módulo 3-10 mm ......................... 43
Figura 3.18: Caracol com pastilhas intercambiáveis módulo 8-24 mm. ........................ 43
Figura 3.19: Cinemática do processo tipo shaper - Dentes retos (LIEBHERR, 2008) .. 44
Figura 3.20: Cinemática do processo de corte tipo shaper - Dentes helicoidais
(LIEBHERR, 2008) ................................................................................................ 45
Figura 3.21: Engrenagem com pouca saída de ferramenta (LIEBHERR, 2008) ........... 45
Figura 3.22: Engrenagem internas. (LIEBHERR, 2008)................................................ 46
Figura 3.23: Engrenagem de dupla hélice (LIEBHERR, 2008) ..................................... 46
10
Figura 3.24: Geometria e Cinemática Básica para o processo de Power Skiving,
STADTFELD (2014). ............................................................................................. 47
Figura 3.25: Ferramentas para processo Power Skiving com pastilhas intercambiáveis
de metal duro, INGERSOLL (2017). ..................................................................... 48
Figura 3. 26: Retificação de dentes de Engrenagens por geração (LIEBHERR, 2008) . 49
Figura 3.27: Retificação de dentes de Engrenagens por formação (LIEBHERR, 2008) 50
Figura 4.1: Ilustração dos desvios de perfil evolvente (KLINGELNBERG, 2000) ....... 54
Figura 4.2: Projeção da Evolvente (LANGE, 2003) ...................................................... 54
Figura 4.3: Ilustração dos desvios da linha de flanco (KLINGELNBERG, 2000) ........ 55
Figura 5.1: Peça utilizada nos testes ............................................................................... 57
Figura 5.2: Eixos da Máquina Fresadora de Dentes Gleason Pfauter P90 utilizada nos
testes (GLEASON, 2017) ....................................................................................... 58
Figura 5.3: Fresa Caracol com insertos intercambiáveis módulo 3 ................................ 59
Figura 5.4: Inserto para Fresa Caracol............................................................................ 59
Figura 5.5: Ilustração da cobertura TiAlCrN (SANDVIK 2017) ................................... 60
Figura 5.6: Foto e composição química em % do substrato S-390 do Caracol inteiriço de
Aço Rápido - Balzers (2017) .................................................................................. 61
Figura 5.7: Máquina Liebherr LC700 ............................................................................ 62
Figura 5.8: Peças módulo 6 utilizadas nos testes............................................................ 63
Figura 5.9: Ilustração da cobertura GC1030 - TiAlN PVD, (Sandvik 2017) ................. 64
Figura 5.10: Fresa caracol com insertos intercambiáveis módulo 6............................... 64
Figura 5.11: Foto do Caracol inteiriço de Aço rápido módulo 6 .................................... 65
Figura 6.1: Erro de Perfil Fα em função do avanço com caracóis de módulo 3 ............ 68
Figura 6.2: Sistema de fixação da pastilha no caracol .................................................... 69
Figura 6.3: Erro ffβ em função do avanço com caracóis de módulo 3 ........................... 70
Figura 6.4: Erro Fβ em função do avanço com caracóis de módulo 3 ........................... 71
Figura 6.5: Erro Fα em função do avanço com caracóis de módulo 6 ........................... 72
Figura 6.6: Erro ffβ em função do avanço com caracóis de módulo 6 ........................... 73
Figura 6.7: Erro Fβ em função do avanço com caracóis de módulo 6 ........................... 74
Figura 6.8: Vida das ferramentas em função do tempo de corte (minutos).................... 77
Figura 6.9: Vida das ferramentas em função do comprimento de avanço (metros) ....... 77
Figura 6.10: Crescimento da vida útil do caracol com insertos de metal duro em relação
ao Aço Rápido ........................................................................................................ 78
11
Figura 6.11: A formação do cavaco no fresamento de dentes. (LIEBHERR, 2008)...... 80
Figura 6.12: Sistemática de remanejamento de pastilhas. .............................................. 81
Figura 6.13: Foto de uma pastilha da região "D" após a utilização ................................ 81
Figura 6.14: Foto de uma pastilha da região "C" após a utilização ................................ 82
Figura 6.15: Foto de uma pastilha da região "B" após a utilização ................................ 82
Figura 6.16: Foto de uma pastilha da região "A" após a utilização ................................ 83
Figura 6.17: Custo total da operação em função do custo da máquina por hora ............ 88
12
LISTA DE TABELAS
Tabela 3. 1: Recomendação para espessura máxima do cavaco WINKEL (2009) ........ 41
Tabela 4.1: Intervalo de Aplicação das engrenagens (LANGE, 2003) .......................... 52
Tabela 4.2: Qualidade Atingida em diversos métodos de fabricação (LANGE, 2003) . 53
Tabela 5.1: Composição química do aço 16MnCrS5 (STEEL NUMBERS, 2017) ....... 57
Tabela 5.2: Características Técnicas-máquina Gleason Pfauter P90 (Gleason, 2017) ... 58
Tabela 5.3: Características Técnicas da máquina Liebherr LC 700 (Liebherr, 2017) .... 62
Tabela 5.4: Composição Química do aço 18CrNiMo6-7 (Steel numbers, 2017)........... 63
Tabela 6.1: Erros em função do avanço para módulo 3 ................................................. 68
Tabela 6.2: Erros em função do avanço para módulo 6 ................................................. 72
Tabela 6.3: Tabela de vida das ferramentas ................................................................... 76
Tabela 6.4: Tabela de vida média das ferramentas ......................................................... 76
Tabela 6.5: Dados Técnicos da Ferramenta.................................................................... 85
Tabela 6.6: Comparativo de Custos da Ferramenta ........................................................ 86
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LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 2.1- Módulo da engrenagem............................................................................22
Equação 2.2- Passo primitivo da engrenagem................................................................23
Equação 2.3- Módulo da engrenagem em função do diâmetro primitivo.......................23
Equação 2.4- Diâmetro primitivo....................................................................................23
Equação 3.1- Relação de Rotação entre a ferramenta e a peça no processo Hob...........29
Equação 3.2- Espessura máxima do cavaco....................................................................41
Equação 5.1- Comprimento de avanço............................................................................66
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Lista de Abreviaturas e Siglas
AGMA: Associação dos Fabricantes Americanos de Engrenagens (American Gear
Manufacturers Association).
Blank: Matéria prima semi pronta utilizada para peças dentadas.
CNC: Controle Numérico Computadorizado.
Cβ: Largura da convexidade da linha de flanco (ângulo de hélice).
DIN: Instituto Alemão de Normalização (Deutsches Institut für Normung).
ffα: Variável que mensura o desvio de forma do perfil evolvente.
ffβ: Variável que mensura o desvio de forma da linha de flanco (ângulo de hélice).
Fp: Desvio de Passo ou divisão.
fp max: Maior desvio de divisão ou de passo de um dente em relação a uma linha zero
teórica.
Fpz/8: Variação do passo ou divisão no intervalo de 8 dentes.
fu max: Desvio da descontinuidade do passo.
Fr: Desvio de Concentricidade da engrenagem.
FHα: Desvio angular do perfil evolvente do dente.
FHαm: Desvio angular médio do perfil evolvente do dente.
FHβ: Desvio angular da linha de flanco (ângulo de hélice).
FHβm: Desvio médio da linha de flanco (ângulo de hélice).
Fα: Desvio total do perfil evolvente da engrenagem
Fβ: Desvio da Linha de Flanco (Ângulo de Hélice).
K- Dia: Diagrama K, utilizado para inspecionar engrenagens que possuem alívio na
ponta do dente e na raiz do dente.
Rp: Variável que mensura a oscilação o desvio de divisão ou passo individual do
dente.
Rs: Desvio de oscilação da espessura do dente.
Shifting: Descolamento tangencial da ferramenta caracol para a redução do desgaste.
Sub-shifting: Fração do deslocamento "shifting" para uniformizar o desgaste.
Usinagem em verde: Usinagem realizada antes do tratamento térmico, quando a peça
ainda possui uma baixa dureza.
Wk: variação da espessura, medida sob esfera, de um determinado número
específico de dentes.
Hobbing: termo em inglês para o Processo de fabricação de engrenagens com caracol
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 16
2 ANÁLISE DO PRODUTO CHAMADO ENGRENAGEM .......................................... 19
2.1 Introdução Teórica ........................................................................................................... 19
2.2 Termos utilizados em dentes de engrenagens .................................................................. 20
2.3 Módulo para engrenagens ................................................................................................ 22
3 USINAGEM DE DENTES DE ENGRENAGENS ........................................................ 25
3.1 Introdução Teórica ........................................................................................................... 25
3.2 Funcionamento da Máquina de corte de engrenagem tipo HOB ..................................... 26
3.3 Ferramenta para corte de engrenagem tipo HOB ............................................................. 28
3.4 Princípios da geração de dentes de engrenagens .............................................................. 29
3.5 Tipos de fresamento de dentes de engrenagem tipo "Hobbing" ....................................... 32
3.6 A evolução das fresas para corte de engrenagem ............................................................. 36
3.7 Outros processos de corte de engrenagem........................................................................ 44
3.8 Processos de acabamento de engrenagens ........................................................................ 48
4 QUALIDADE DA PEÇA ................................................................................................. 51
4.1 Introdução Teórica ........................................................................................................... 51
4.2 Desvios típicos para perfil evolvente e linha de flanco de engrenamentos ...................... 53
5 MÉTODOS EXPERIMENTAIS ..................................................................................... 56
6 RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................... 68
6.1 Fase 1 - Variação dos erros de forma em função do avanço. ........................................... 68
6.2 Fase 2 - Vida das ferramentas para caracol módulo 3 ...................................................... 75
6.3 Fase 3 - Análise de Custo das ferramentas ....................................................................... 84
7 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .......................... 89
7.1 Conclusões ........................................................................................................................ 89
7.2 Sugestões de trabalhos futuros ......................................................................................... 90
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 91
16
1 INTRODUÇÃO
Durante a vida, o homem constantemente busca o aperfeiçoamento, de modo
que o que é feito hoje é melhor que foi realizado ontem, e o que será realizado amanhã
seja melhor do que é realizado atualmente. Essa busca por aprimoramento tem
conseguido disponibilizar produtos e serviços para a população a um custo acessível.
A cada dia as indústrias buscam atualização e modernização dos meios e
métodos de produção para que seus produtos continuem competitivos em termos de
qualidade e custo, sejam em seus mercados regionais, ou em mercados internacionais.
Para que seja possível ter e manter produtos competitivos é necessário a
constante busca e investimentos em novos conhecimentos, novas tecnologias, novas
visões e novos sistemas produtivos, para que se possa apresentar um diferencial
competitivo em relação à concorrência no quesito custo, qualidade e tecnologia.
A busca do estado da arte dos processos de fabricação dos produtos é o desafio
de engenheiros e pesquisadores para se encontrar maneiras de aperfeiçoar os processos,
reduzindo com isso os custos agregados, e mantendo a qualidade e desempenho do
produto final. Conforme BOUQUET (2014) há uma pressão na indústria por melhores
resultados e isso estimula o estudo de ferramentas que possibilitem a diminuição do
tempo de fabricação em máquinas gargalo, que se torna muito importante, pois o tempo
de usinagem tem uma grande participação na formação do custo final da peça.
Outro ponto importante da diminuição do tempo das máquinas gargalos é
apresentado por GOLDRATT (1995), que afirma que o tempo da máquina gargalo é
determinante para a obtenção do ritmo de produção e que a sua variação vai afetar na
quantidade de peças produzidas. Em outras palavras, pode-se dizer que quanto menor o
tempo da máquina gargalo maior será a quantidade de peças produzidas.
Normalmente as máquinas que usinam engrenamentos são máquinas gargalos,
pois detêm tecnologia específica e avançada e, por isso, têm um valor de aquisição
elevado, que faz com que empresas que fazem esse tipo de operação adquiram o
mínimo possível de máquinas. Assim se faz necessário o estudo desta operação para que
o tempo de ciclo das peças seja o menor possível.
17
QUIRINO (2000) afirma que “Ferramentas com alta tecnologia, novos
recobrimentos e o desenvolvimento de novas máquinas de Controle Numérico por
Computador, tendem a minimizar a participação do homem no processo e demandam
métodos eficientes com a finalidade de se obter mínimos custos e tempos de
fabricação”. Isto é mais crítico quando a ferramenta em questão tem um alto custo e tem
uma afiação cara, como é o caso da ferramenta de corte de dentes de engrenagens,
chamada de “caracol”. Z.STACHURSKI (1997) escreve que este processo denominado
em inglês “Hobbing” é o mais utilizado pelas empresas fabricantes de engrenagens.
Os caracóis mais utilizados atualmente são inteiriços de aço rápido revestidos
com carbonitreto de titânio e nitreto de titânio. Como as ferramentas são inteiriças, ao
final da vida as mesmas necessitam de uma nova afiação externa. Para que a vida
aproximada da ferramenta afiada seja próxima daquela obtida pela ferramenta nova, as
ferramentas devem receber um novo revestimento após a afiação. Para que esse
procedimento possa ser realizado sem causar distúrbios aos processos produtivos, é
necessário se tenha ferramentas reservas para se trabalhar enquanto a ferramenta
original esteja sendo afiada e revestida novamente. Quando se utiliza um caracol feito
de pastilhas de metal duro, pode-se eliminar a reafiação dos caracóis, o que é
interessante, pois com isso não serão mais necessários controles logísticos das
ferramentas em serviços em terceiros.
Os objetivos desse trabalho são:
- Verificar a viabilidade de se utilizar uma ferramenta tipo caracol com pastilhas
intercambiáveis de metal duro, em condições de fabricação de grandes volumes de
produção de corte de engrenagens cilíndricas de dentes retos e helicoidais a fim de
reduzir os tempos de usinagem das peças, já que esta operação é uma operação gargalo.
- Averiguar e estudar a variação dos desvios Fα, Fβ e ffβ de engrenamento
módulo 3 e módulo 6 para os caracóis com insertos de metal duro e para caracóis de aço
rápido.
- Apurar e analisar a vida e os custos dos caracóis com insertos de metal duro e
dos caracóis de aço rápido.
18
Este trabalho está dividido em 8 capítulos, quais sejam:
Capítulo 1 – Introdução
Capítulo 2 – Análise do Produto
Capítulo 3 – Usinagem dos dentes de engrenagens
Capítulo 4 – Qualidade da peça
Capítulo 5 – Métodos Experimentais.
Capítulo 6 – Resultados e Discussões.
Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
Capítulo 8 - Referências bibliográficas.
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2 ANÁLISE DO PRODUTO CHAMADO ENGRENAGEM
2.1 Introdução Teórica
A primeira etapa dos trabalhos realizados na área da engenharia de fabricação é
a análise do produto a ser fabricado. Essa análise leva em contas várias características
que irão determinar, por exemplo: os meios de fixação, tamanho da máquina necessária,
ferramentas necessárias, roteiro de fabricação e material do produto. Dentre essas
variáveis, o material do produto é um item muito importante, pois o mesmo pode alterar
consideravelmente outras variáveis envolvidas na manufatura do produto.
A aplicação das engrenagens é ampla, ou seja, podem ser utilizadas em relógios
de pulso (pequenas dimensões), como também na área de mineração, em acionamento
de moendas de cana de açúcar ou em navios (grandes dimensões). Nestes casos atingem
diâmetros que podem variar de 2,0 a 2,5 m.
CROCKET (1971) diz que a engrenagem é uma das peças mecânicas mais
importantes na área de transmissão de movimentos, pois é um elemento de máquinas
que transmite o movimento através dos seus dentes ao longo da sua periferia. A figura
2.1 apresenta o tipo mais comum de engrenagem, a engrenagem cilíndrica de dentes
retos (em Inglês “spur gear”).
Figura 2.1: Engrenagem Cilíndrica de Dentes Retos (SANTOS JUNIOR,
2003)
SANTOS JUNIOR (2003) afirma que o termo engrenagem, embora possa ser
empregado para designar apenas um dos elementos, normalmente é empregado para
designar a transmissão de movimento. Uma transmissão por engrenagens é composta de
20
dois ou mais elementos. Quando duas engrenagens estão em contato, a menor delas é
chamada de pinhão e a maior de coroa.
Atualmente as engrenagens apresentam em seus dentes uma curvatura que torna
mais eficiente a transmissão do movimento enquanto rolam entre si, chamado de perfil
evolvente, que facilita a reprodução de movimento.
Para uma melhor exemplificação da curva evolvente, a figura 2.2 apresenta sua
construção geométrica.
Figura 2.2: Construção da Evolvente (LIEBHERR, 2008)
2.2 Termos utilizados em dentes de engrenagens
LIEBHERR (2008) ilustra alguns termos que são comuns na elaboração e
fabricação de engrenagens:
Linha do diâmetro primitivo (Basic Lead no inglês) é a linha mais
importante de uma engrenagem, pois será a base para o engrenamento. É
nesta linha que se dá o contato com a engrenagem par para possibilitar a
transmissão de movimento. Também é utilizada a grandeza raio primitivo que
é obtido pela divisão do diâmetro primitivo por dois.
Aresta da ponta (Tip edge no inglês) é a linha que faz a intersecção entre o
diâmetro externo da engrenagem e o perfil do dente.
Flanco esquerdo (Left flank no inglês) é o lado esquerdo do dente, em uma
vista frontal da engrenagem.
Flanco direito (Right flank no inglês) é o lado direito do dente, em uma vista
frontal da engrenagem.
21
A figura 2.3 ilustra melhor a localização dos termos diâmetro primitivo, arestas
de ponta, flanco esquerdo e flanco direito.
Figura 2.3: Ilustração de alguns termos de engrenagens (LIEBHERR, 2008)
Ponta superior do flanco (Tip flank ou addendum no inglês) é a parte
superior do dente a partir do diâmetro primitivo até o diâmetro externo da
engrenagem.
Raiz do Flanco (Root flank ou dedendum no inglês) é a parte inferior do
dente a partir do diâmetro primitivo até o diâmetro inferior que termina o
dente.
A figura 2.4 ilustra a localização dos termos Ponta superior do flanco e raiz do
dente.
Figura 2.4: Ponta e raiz do dente (LIEBHERR, 2008)
Protuberância (Protuberance ou undercut no inglês) é um alívio ou canal
realizado na parte inferior do dente nas proximidades do fundo ou raiz do
dente, visando principalmente facilitar a retificação dos dentes (facilitar a
saída do rebolo). No momento da retificação, se a engrenagem não tiver
22
protuberância, qualquer diferença de material que houver na peça, o rebolo
pode ser danificado ao colidir com o fundo dos dentes ou pode sobrar
material no fundo dos dentes, o que é prejudicial para o funcionamento da
engrenagem. A protuberância soluciona esse problema, pois com o canal na
raiz do dente o rebolo não precisa ir até o fundo do dente. (Figura 2.5)
Figura 2.5: Protuberância (LIEBHERR, 2008)
2.3 Módulo para engrenagens
HENRIOT (1979) explica que uma das grandezas mais importantes nos
engrenamentos é o módulo, pois para que possa haver o engrenamento de duas rodas
dentadas é necessário que as duas tenham o mesmo módulo, a fim de que os espaços
entre os dentes sejam compatíveis. O módulo é expresso em milímetros e pode ser
obtido pela equação 2.1:
𝑚 =𝑝
𝜋 Equação (2.1)
Onde p é o passo primitivo, que é distância entre um dente e outro, incluindo
também o vão entre dentes (figura 2.6):
23
Figura 2.6: Ilustração do passo em uma engrenagem
HENRIOT (1979) também define que o passo primitivo é obtido pela equação
2.2:
𝑝 =2𝜋𝑟
𝑍 Equação (2.2)
Onde r é o raio primitivo e z o número de dentes da engrenagem.
Substituindo a equação 2.2 em 2.1 temos a equação 2.3:
𝑚 =2𝜋𝑟
𝑍𝜋=
𝑑
𝑍 Equação (2.3)
Onde d é o diâmetro primitivo.
Alternativamente, a equação (2.3) também pode ser escrita pela equação 2.4:
𝑑 = 𝑚𝑧 Equação (2.4)
FLORES e GOMES (2014) explicam que o módulo em conjunto com o número
de dentes define as dimensões e a resistência mecânica de qualquer engrenagem. A
figura 2.7 ilustra a variação do tamanho e do número de dentes de uma engrenagem,
para um mesmo diâmetro primitivo, em função do módulo e concluem que o aumento
do módulo também aumenta o tamanho do dente e por consequência a resistência da
engrenagem. Por outro lado, com o aumento do módulo, diminui a quantidades de
dentes.
Raio Primitivo
24
Figura 2.7: Módulo e número de dentes. (FLORES e GOMES, 2014)
25
3 USINAGEM DE DENTES DE ENGRENAGENS
3.1 Introdução Teórica
A busca por aperfeiçoamento na fabricação de engrenagens tem levado os
fabricantes de máquinas e de ferramentas para fabricação de engrenagens a investirem
em pesquisas tecnológicas para que sejam alcançadas máquinas e ferramentas que
possam fazer os dentes necessários em um tempo cada vez menor, buscando a
manutenção da competitividade, fazendo melhor no menor tempo possível.
A figura 3.1 ilustra alguns tipos de processos de “usinagem em verde” (antes do
tratamento térmico) utilizados atualmente para dentes de engrenagens:
Figura 3.1: Processos para a Fabricação de engrenagens (LIEBHERR, 2008) com
adaptações de (STADTFELD,2014) e (SANDVIK,2017)
Os processos de fabricação de corte por formação com disco de corte
normalmente são utilizados em máquinas convencionais tipo fresadora universais com
disco divisor para produção de pequenos lotes de produção. Também são utilizados para
pequenos ou grandes lotes de peças que possuem poucos dentes.
26
Já os processos por geração são mais flexíveis e, por isso, podem ser utilizados
em peças de mesmo módulo com número de dentes diferente e também, por terem o
tempo de fabricação menor, são utilizados em fabricação em lotes de produção seriada.
Os processos de Fundição e modelação normalmente são utilizados em produtos
que não tenham exigência de esforços mecânicos e também não seja requerida uma boa
qualidade final dos produtos. Pode se citar como exemplo de utilização, as engrenagens
utilizadas em brinquedos.
3.2 Funcionamento da Máquina de corte de engrenagem tipo HOB
Nos primórdios da utilização de engrenagens, seus dentes eram fabricados em
fresas módulos ou plainas que possuem um tipo de processo em que a ferramenta de
corte utilizada era um disco de corte que girava para usinar o corte de material, e a
divisão dentes era realizada através de um cabeçote divisor, que determinava o ângulo
de divisão dos dentes. Com o passar do tempo, foi-se agregando tecnologia a esse
processo e atualmente os fabricantes de engrenagens já possuem máquinas de corte de
engrenagens CNC com 6 eixos ou mais para realizar todos os movimentos necessários.
As máquinas modernas possuem transmissão direta no fuso superior da máquina
(no qual está presa a ferramenta) e no movimento da mesa (na qual está presa a peça) o
que reduz as perdas de potência. Além disso, estas máquinas possuem potência e torque
elevados nos fusos que, combinados com a capacidade para altas rotações, propiciam a
utilização de altos parâmetros de cortes (avanços, velocidades de corte e profundidade
de corte). Observando que para que seja possível o incremento dos parâmetros de corte
tem se estudado e melhorado também o sistema de fixação das engrenagens na máquina.
O sistema mais eficaz utilizado atualmente é a fixação pelo furo central da engrenagem
através de um mandril expansivo e de um copo com dentes rígidos que se movimenta no
sentido axial e fixa a face da engrenagem e ajuda o arraste da mesma.
Os movimentos dos 6 eixos da máquina com a peça fixada na máquina podem
ser melhor observados na figura 3.2.
27
Figura 3.2: Movimento dos eixos da máquina (LIEBHERR, 2008)
A figura 3.3 mostra um esquema do corte de dentes de uma engrenagem com
cortador caracol (HOB).
Figura 3.3: Exemplo de corte de engrenagem com caracol HOB (LIEBHERR, 2008)
28
3.3 Ferramenta para corte de engrenagem tipo HOB
Para a fabricação de engrenagem usando o método de geração frequentemente é
utilizada uma ferramenta chamada de Caracol (HOB). A ferramenta é assim chamada
pois possui um formato cilíndrico com dentes de corte no diâmetro externo em forma de
caracol. (Figura 3.4). O formato de caracol permite o corte simultâneo de mais de um
dente da engrenagem, assim como permite a divisão da área de corte entre os dentes
ativos do caracol. O caracol é responsável por executar e deixar adequado o perfil ou o
ângulo de pressão da engrenagem, como por exemplo, addendum, dedendum e
protuberância.
A maioria dos caracóis possui um furo no seu centro, onde é montado um
mandril para que seja realizada a fixação na fresadora de dentes de engrenagens (figura
3.4). Quando é necessária uma melhor precisão de montagem do caracol, o mandril já é
usinado de forma inteiriça no caracol, eliminando-se com isso as folgas oriundas da
montagem do caracol no mandril.
Figura 3.4: Esquema de ferramenta para corte tipo HOB (LANGE, 2003)
29
3.4 Princípios da geração de dentes de engrenagens
QUIRINO (2000) afirma que o processo de geração da engrenagem tem como
princípio fundamental o fato de que a ferramenta de corte e a peça representam um par
engrenado “coroa/parafuso sem fim” associado a um movimento de corte.
Naturalmente, o caracol é um “parafuso sem fim”, não de contato contínuo, mas sim de
arestas cortantes sucessivas, não se tendo a curva evolvente teórica, mas sim uma
família de tangentes. Assim, o princípio de trabalho de um cortador caracol é a geração
de um perfil por rotação de um cilindro (diâmetro primitivo da peça) sobre um plano
(reta primitiva da cremalheira do cortador), conforme mostra a figura 3.5.
Figura 3.5: Famílias de Tangentes (QUIRINO, 2000)
QUIRINO (2000) também demonstra que durante a usinagem a ferramenta gira
rapidamente, enquanto a peça gira lentamente, satisfazendo a relação de rotação do
engrenamento (i), conforme equação 3.1.
𝑖 =𝑍𝑐
𝑍𝑝=
𝑅𝑝
𝑅𝑐 Equação (3.1)
Onde:
Zp = Número de dentes da peça.
Zc = Número de entradas do caracol
Rp = Rotação da peça por minuto (rpm)
Rc = Rotação do caracol por minuto (rpm)
PHILLIPS (1998) ilustra os movimentos de corte que o caracol executa na
engrenagem em sete etapas distintas (figura 3.6). Cada linha adicional desenhada nesta
30
ilustração sobre o dente da engrenagem representa a trajetória e a ação de corte de um
dente do caracol.
Figura 3.6: Etapas da formação de um dente de engrenagem. (PHILLIPS, 1998)
SANDVIK (2015) demonstra a formação do vão do dente da engrenagem em 10
etapas diferentes do caracol (figura 3.7). O cavaco vai se modificando ao longo das
etapas, ou seja, no início do corte o cavaco possui uma espessura maior, que aumenta
um pouco à medida que os primeiros dentes realizam suas tarefas, porém com o passar
dos dentes a largura de corte tende a aumentar e a espessura diminuir. Já do meio para o
final do corte os dentes do caracol realizam o acabamento dos dentes da peça que
também é denominado perfilamento. (Figura 3.8)
31
Figura 3.7: A formação do cavaco no fresamento de dentes. (SANDVIK,
2015)
Figura 3.8: Formação do cavaco no caracol. (LIEBHERR, 2008)
32
3.5 Tipos de fresamento de dentes de engrenagem tipo "Hobbing"
Segundo a posição da ferramenta em relação à peça o fresamento de dentes de
engrenagens tipo “Hobbing” é classificado em:
Fresamento de dentes axial. É a operação mais utilizada na abertura de dente
de engrenagem na qual o caracol de corte é posicionado na tangente do diâmetro
externo da peça e o avanço de corte da ferramenta acontece de modo paralelo ao centro
imaginário da peça. (Figura 3.9). Como no fresamento tangencial convencional, o
fresamento de dentes axial também pode ser concordante ou discordante.
No fresamento axial para se obter um desgaste uniforme de todos os dentes de
cortes dispostos no comprimento da ferramenta caracol, após a usinagem de uma peça é
realizado um deslocamento no axial da ferramenta denominado “shifting”, que faz com
que sejam utilizados dentes diferentes daqueles utilizados na peça anterior. LIEBHERR
(2008) destaca que para facilitar a utilização desse recurso, as máquinas modernas
realizam esse procedimento de forma automática e parametrizada, o que aumenta a vida
útil da ferramenta.
Figura 3.9: Fresamento de dentes axial (LIEBHERR, 2008)
33
DINIZ (2013) define que o fresamento discordante é aquele em que o ângulo de
contato do dente da fresa com a peça φ cresce de zero até um valor máximo (o sentido
do movimento de avanço é contrário ao sentido do movimento rotatório da fresa) e o
fresamento concordante é aquele em que o ângulo φ começa em um valor máximo e
decresce até zero (o sentido do movimento de avanço é o mesmo do movimento
rotatório da fresa). O ângulo de contato do dente φ é o ângulo entre uma linha radial
que passa pelo ponto de contato aresta da peça e outra linha radial que passa pelo ponto
em que a espessura do cavaco formado é zero.
O fresamento de dentes discordante apresenta como desvantagem um maior
desgaste da ferramenta devido ao fato de que, no início do corte a espessura do cavaco é
zero, o que gera um grande atrito, deformação plástica na região da peça de entrada da
ferramenta e altas temperaturas que deixam a região encruada para o corte do próximo
dente. Já como vantagem, o fresamento de dente discordante, diferentemente do
fresamento convencional, segundo LIEBHERR (2008) apresenta um melhor
acabamento superficial em relação ao fresamento de dentes concordante.
O fresamento de dentes concordante apresenta como vantagem um menor
desgaste de ferramenta, porém é necessária uma maior estabilidade do conjunto
máquina e fixação da peça e que a máquina possua fusos de esferas recirculantes, isto é,
que não possuam folga entre o fuso e a esfera do sistema de avanço da máquina. Como
as máquinas e dispositivos modernos são mais estáveis e, em geral, possuem fusos de
esferas recirculantes, o fresamento de dentes concordante é o mais utilizado nas fábricas
que fabricam engrenagens.
Com esse tipo de fresamento, para a usinagem de engrenagens cilíndricas com
dentes retos, é preciso inclinar o cabeçote da fresa caracol no mesmo valor e sentido do
ângulo de hélice do caracol. Já para a usinagem de engrenagens cilíndricas de dentes
helicoidais, a inclinação do eixo porta-ferramenta deve ser acrescida ou diminuída do
ângulo de inclinação da hélice da engrenagem. Para tanto basta saber se a hélice do
caracol e a hélice da peça tem sentido à direita ou à esquerda, ou seja, se as duas hélices
tiverem o mesmo sentido deverá ser realizado a somatória dos dois valores. Caso os
sentidos dos ângulos de hélices sejam opostos deve-se realizar a subtração do maior
valor pelo menor e o sentido de inclinação será o sentido do ângulo de maior valor.
34
Shifting e Sub-shifting. Segundo Quirino (2000) são estratégias
utilizadas no fresamento axial para que haja uma distribuição do desgaste
igualmente por toda a ferramenta é utilizado uma estratégia denominada
"shifting", que é o deslocamento tangencial do cortador enquanto o corte
não está ocorrendo. Para a utilização de caracol de aço rápido uma das
estratégias utilizadas é um grande deslocamento tangencial para que se
tenha uma ótima distribuição de temperatura no cortador caracol. Para
uniformizar ainda mais o desgaste, depois de completado o "Shifting"
total, a ferramenta não retorna ao ponto inicial, desloca-se uma fração do
tamanho do "shifting", que é chamado "sub-shifting"
Fresamento de dentes tangencial para coroas sem fim. Processo
utilizado apenas na fabricação de coroas sem fim, em que a usinagem dos
dentes é realizada com o avanço axial da ferramenta chamado “shifting”
ao longo da peça de trabalho (Figura 3.10). LIEBHERR (2008) observou
que no caso de se utilizar esse processo é aconselhável a utilização de
caracol cônico para reduzir o número de passes, pois com a superfície
cônica é possível fazer escalonamentos dos dentes de corte e, portanto, é
possível trabalhar com uma profundidade de corte maior, diminuindo por
consequência a distância de deslocamento tangencial da ferramenta e o
tempo de usinagem. Além disto, o desgaste da ferramenta se dá de forma
igual ao longo dos dentes do caracol.
35
Figura 3.10: Fresamento de dentes tangencial (LIEBHERR, 2008)
Fresamento de dentes em diagonal. Esse tipo de fresamento de dentes
consiste em uma combinação do fresamento de dentes axial e do
fresamento de dentes tangencial, ou seja, a usinagem dos dentes é
realizada através da combinação do deslocamento na direção axial do
cortador caracol com o deslocamento paralelo a direção axial da peça de
trabalho. (Figura 3.11). Segundo LIEBHERR (2008) esse tipo de
fresamento apresenta como principal vantagem o desgaste homogêneo de
todas as arestas de corte da ferramenta, pois todas as arestas de corte
participam da usinagem da peça, não sendo necessário executar o
deslocamento axial “shifting” para equilibrar o desgaste das arestas de
corte da ferramenta. Contudo esse tipo de processo não é muito utilizado
porque a qualidade da peça é afetada pela qualidade do caracol. Isso
acontece porque a ferramenta é deslocada na direção axial durante a
usinagem da peça. E normalmente a ferramenta apresenta desvios,
principalmente no ângulo de hélice e, devido à forma dos movimentos,
esses desvios são transferidos para a peça de trabalho.
36
Figura 3.11: Fresamento de dentes Diagonal (LIEBHERR, 2008)
3.6 A evolução das fresas para corte de engrenagem
O disco de corte ou fresa singela foi uma das primeiras ferramentas utilizadas
para a usinagem de dentes de engrenagens, (Figura 3.12) utilizando o método de corte
dos dentes por formação. Neste tipo de processo a ferramenta possui o formato inverso
do perfil dos dentes e os mesmos são formados um a um. A ferramenta entra e sai da
peça na usinagem de todos os dentes. Esta é uma ferramenta normalmente inteiriça de
Aço rápido mais simples de fazer quando comparado com as outras ferramentas que
podem ser utilizadas para abrir engrenagens. Por isso, possui um baixo custo de
aquisição inicial, porém por ter um perfil único e por usinar um dente por vez, torna o
tempo de usinagem mais elevado. É bastante utilizado em fresadoras convencionais para
fazer dentes de engrenagens em empresas que possuem um volume muito baixo de
produção ou para usinar rosca sem fim em grande ou pequena escala. Para a produção
seriada de roscas sem fim, também é possível encontrar fresas singelas com coberturas
modernas ou com substrato de metal duro.
37
Figura 3.12: Fresa singela ou disco de corte. (LMT FETTE, 2017)
Com o passar do tempo houve a evolução desta ferramenta que é a Fresa singela
ou disco de corte com pastilhas intercambiáveis. Ferramenta criada com um corpo de
aço e com pastilhas de metal duro intercambiáveis, para se ter uma fresa ou disco mais
barato e com mais tenacidade e, por outro lado, podendo obter a aresta de corte da
ferramenta em metal duro, conseguindo com isso, uma melhor resistência ao desgaste
em altas temperaturas. Segundo DEBONE (2011) com pastilhas intercambiáveis,
quando as mesmas estão desgastadas, é necessária somente a troca por outras em bom
estado, sem ser necessária a reafiação dos dentes. A principal vantagem do disco de
corte com pastilhas é a utilização de altas velocidades de corte que implica na redução
do tempo de fabricação das peças. (Figura 3.13)
Figura 3.13: Disco de Corte com pastilhas intercambiáveis. (SANDVIK, 2017)
38
WINKEL (2010) afirma que os discos de corte são adequados para usinar
engrenagens em que não é possível a utilização de fresa caracol com pastilhas
intercambiáveis, como por exemplo, a usinagem de dentes internos, ou usinagem de
engrenagens com módulos grandes, que possuem pequeno volume de produção.
Segundo os fabricantes SANDVIK (2017), INGERSOLL (2017) e LMT FETTE
(2017) estão disponíveis os discos de corte para engrenagens com módulos entre 3 e 36
mm. SANDVIK (2017) informa que para se obter uma maior produtividade para os
módulos grandes, é possível se trabalhar também com discos duplos que usinam dois
dentes ao mesmo tempo, conforme a figura 3.14.
Figura 3.14: Disco duplo de corte (SANDVIK, 2017)
Paralelamente à evolução dos discos de corte, houve a evolução no processo de
fabricação da ferramenta de corte, e criou-se o processo de usinagem de dentes por
geração e a fresa caracol denominada HOB (Figura 3.15). Sua principal vantagem é a
possibilidade de se usinar os dentes de uma engrenagem em um tempo menor. Isso é
possível pela usinagem simultânea de vários dentes.
Inicialmente a ferramenta deste tipo era feita de aço rápido sem cobertura.
Posteriormente começou-se a recobrir a ferramenta de aço rápido para se conseguir
maior vida da ferramenta. Outras evoluções foram o metal duro e o aço rápido
sinterizado (HSS-PM) como substratos das ferramentas recobertas. Segundo LMT
FETTE (2011), a evolução do material do substrato do caracol permitiu uma maior
resistência ao desgaste, maior dureza, maior robustez e por consequência permitiu uma
economia para os fabricantes de engrenagens. LIEBHERR (2004) afirma que para a
escolha do melhor substrato a ser utilizado é necessário se fazer um estudo de custo
contra benefício, pois o aço rápido sinterizado (HSS-PM) apresenta vantagens: menor
39
custo de aquisição da ferramenta, menor custo de afiação e maior tenacidade. Já o metal
duro apresenta como vantagem: maior resistência ao desgaste e por consequência a
possibilidade de se trabalhar com maiores velocidades de corte.
Figura 3.15: Fresa Caracol com furo central (LMT FETTE, 2010)
Além da evolução no substrato da ferramenta, também houve uma evolução na
área do revestimento dos caracóis, que passaram de nitreto de titânio (TiN) para
Carbonitreto de titânio (TiCN) e depois para nitreto de Titânio-alumínio (TiAlN) ou
Nitreto de Alumínio-cromo (CrAlN). Segundo LMT FETTE (2010), a evolução dos
revestimentos teve como ganhos aumento da dureza superficial da ferramenta, aumento
da temperatura suportada em trabalho e possibilidade de redução da espessura de
camada necessária.
Na parte geométrica do cortador também tem havido importantes evoluções. A
principal delas é o aumento do número de canais (vão entre os dentes de corte).
PHILLIPS (1998) afirma que quanto maior o número de canais, maior também será o
número de arestas de corte. Com maior quantidade de dentes, a carga individual de
cavaco por dente será menor e resultará no aumento da vida útil da ferramenta e na
redução dos erros de forma e posição da engrenagem. Como desvantagem essa evolução
gerou a diminuição do número possível de afiações do caracol, já que a espessura do
dente ficou menor, deixando com isso o custo da ferramenta maior. Contudo PHILLIPS
(2008) defende a aplicação desta estratégia, pois com ela é possível trabalhar com
avanços maiores e com isso obter uma redução no tempo de ciclo da peça e, por
consequência, no custo da máquina agregado à operação. PHILLIPS (1998) também
40
afirma que, em muitos casos, o custo com a máquina é 20 vezes maior que o custo com
a ferramenta, o que viabiliza a utilização deste conceito.
Segundo STOTT (2011) e KLOCKE (2014) a evolução continuou devido ao
aumento da produção de engrenamentos para utilização em equipamentos de energias
renováveis, como por exemplo, a energia eólica, que possuem peças dentadas com
módulos grandes. Para acelerar este tipo de produção desenvolveu-se uma fresa caracol
com corpo de aço e com pastilhas de metal duro intercambiáveis, visando uma melhor
resistência ao desgaste em altas temperaturas. Como o disco de corte, a fresa caracol
com pastilhas intercambiáveis possui a vantagem da troca das pastilhas quando as
mesmas estão desgastadas. Com isso não é necessário a reafiação dos dentes, que gera
tarefas logísticas e custos do trabalho de reafiação. A principal vantagem desta
ferramenta é a possibilidade de se utilizar velocidades de cortes compatíveis com o
metal duro que são bem maiores do que as velocidades das ferramentas de Aço Rápido
com coberturas. Com o aumento da velocidade de corte, o tempo de usinagem das peças
diminui e por consequência diminui também o custo de fabricação, pois o mesmo
depende do tempo de usinagem.
LMT FETTE (2017) afirma que o caracol com pastilhas intercambiáveis é o que
se tem de mais novo em termos de ferramentas para corte de dentes de engrenagens e
que essa tecnologia já está madura para ser amplamente utilizada no meio industrial.
WINKEL (2009) construiu um gráfico que mostra as faixas de rotação e torque
para cada uma das ferramentas (figura 3.16) como também faz recomendações para
espessura máxima de cavaco para o caracol com pastilhas intercambiáveis e para o
disco de corte com pastilhas de metal duro, para que seja mantida a integridade da
ferramenta (Tabela 3.1).
41
Figura 3.16: Gráfico de Torque x rotação (WINKEL,2009)
Tabela 3. 1: Recomendação para espessura máxima do cavaco WINKEL (2009)
Recomendação para espessura máxima de cavaco (mm)
σt do material
(N/mm²)
Disco com insertos
intercambiáveis
Caracol com insertos
intercambiáveis
500 – 750 0,1 0,2
750 – 1000 0,08 0,17
1000 0,06 0,15
Em seus estudos KARPUSCHEWSKI (2014) utilizou uma espessura máxima de
cavaco de até 0,28 mm para materiais de até 750 N/mm² com a recomendação da
verificação se haverá sobremetal suficiente para a posterior retificação de dentes.
SANDVIK (2015) define a equação da espessura máxima do cavaco (hex) para
processos de fresamento de dentes tipo Hobbing como sendo:
ℎ𝑒𝑥 = 𝑓𝑧 × 𝑠𝑒𝑛(𝐶𝑂𝑆−1 (1 −2×𝑎𝑒
𝐷𝑐)), Equação (3.2)
Onde:
42
hex é a espessura máxima dos cavacos por dente de corte.
fz= avanço por dente.
ae= profundidade de corte.
Dc= Diâmetro de corte.
SANDVIK (2017), LMT FETTE (2017) e INGERSOLL (2017) informam que
estão disponíveis no mercado fresas caracol com pastilhas intercambiáveis para usinar
engrenagens na faixa de módulo 3 mm até módulo 10 mm. Estas fresas produzem
engrenagens com classe B de tolerância, de acordo com a DIN3968.
Segundo a norma DIN3968 as fresas caracóis são classificadas da maior para a
menor precisão em termos de tolerâncias de forma e posição em: AA, A, B, C e D.
Segundo SAMPUTENSILI S.P.A (2017) as classes C e D não estão tendo mais
utilização atualmente e as outras classes são utilizadas para obter:
Caracol classe AA produz peça com qualidade DIN 8(AGMA 8)
Caracol classe A produz peça com qualidade DIN 9(AGMA 7)
Caracol classe B produz peças com qualidade DIN 10 (AGMA 6)
No capítulo 4 é explicada a classificação de qualidade das peças segundo as
normas DIN e AGMA.
Esta fresa possui interface de alta precisão entre a pastilha e o cassete, que
protege o corpo em caso de colisão ou quebra do inserto (Figura 3.17). Para se obter
uma melhor rigidez, ela pode ser construída com um corpo inteiriço, o que é uma
excelente alternativa para substituir os caracóis de aço rápido, podendo diminuir o
tempo de usinagem em até oito vezes.
43
Figura 3.17: Caracol com pastilhas intercambiáveis módulo 3-10 mm
(SANDVIK, 2017)
Para módulos entre 10 e 24 mm a SANDVIK (2017), LMT FETTE (2017) e
INGERSOLL (2011) produzem a fresa caracol com segmentos externos removíveis,
que envolvem o diâmetro do cubo da fresa. Esses segmentos formam o caracol
propriamente dito e recebem pastilhas de fixação tangenciais com quatro arestas de
corte. A qualidade atingida neste caso também é o grau B e em casos especiais pode ser
produzido até para engrenagens com módulo 40 mm (figura 3.18).
Figura 3.18: Caracol com pastilhas intercambiáveis módulo 8-24 mm.
(SANDVIK, 2017)
44
3.7 Outros processos de corte de engrenagem
Um processo de abertura de dentes de engrenagem que merece destaque é o
cortador tipo “Shaper” que é utilizado em um processo denominado “Fellows”.
LIEBHERR (2008) explica que para se usinar as engrenagens de dentes retos
neste processo, a peça de trabalho e a ferramenta realizam uma “transmissão” com os
eixos paralelos, em um contínuo avanço rotativo proporcional de acordo com o número
de dentes dos mesmos. Ao mesmo tempo a ferramenta se move para baixo para a
realização do corte de material. Durante o retorno de curso da ferramenta é realizado um
recuo radial da ferramenta em relação à peça para se evitar atritos e colisões. (Figura
3.19)
Figura 3.19: Cinemática do processo tipo shaper - Dentes retos (LIEBHERR, 2008)
A usinagem de dentes helicoidais utiliza os mesmos princípios da usinagem de
dentes retos, com o acréscimo que, nesta operação, a ferramenta realiza movimento
helicoidal alternativo juntamente com o movimento rotativo de rolamento na peça.
(Figura 3.20)
45
Figura 3.20: Cinemática do processo de corte tipo shaper - Dentes helicoidais
(LIEBHERR, 2008)
Segundo LIEBHERR (2008), o processo de corte tipo “shaper” ou “fellows” é
utilizado principalmente quando não há possibilidade ou é complicada a utilização do
processo tipo “HOB”, como é o caso de:
Engrenagens externas com pequena saída de ferramenta (figura 3.21).
Para esse caso não é possível a utilização de uma ferramenta tipo
“HOB”, pois durante o avanço a mesma pode colidir com a peça.
Figura 3.21: Engrenagem com pouca saída de ferramenta (LIEBHERR, 2008)
Engrenagens internas. (Figura 3.22). Embora existam máquinas que
possuem um suporte para ferramenta “tipo L” o que faz com que seja
possível a utilização de ferramenta tipo “HOB” para usinar dentes
46
internos, existe limitações de diâmetro interno mínimo em que é
possível a entrada do suporte. Outro ponto a ser considerado é a rigidez
do sistema, que com o suporte nem sempre é adequada para se obter a
qualidade requerida na peça.
Figura 3.22: Engrenagem internas. (LIEBHERR, 2008)
Engrenagem com dupla hélice (Figura 3.23). A utilização de cortador
shaper para esse tipo de peça é ideal, pois se consegue parar a
usinagem exatamente na linha de divisão das hélices. Para se obter a
peça com a ferramenta tipo “HOB” seria necessário que a peça tivesse
um alívio entre as duas hélices do tamanho ou maior que o raio da
ferramenta, o que nem sempre é possível.
Figura 3.23: Engrenagem de dupla hélice (LIEBHERR, 2008)
E por último também merece destaque o processo denominado “Power skiving”
que segundo SANDVIK (2017) e STADTFELD (2014) é um processo que combina a
dinâmica e a cinemática dos processos de “Hobbing” e “Shapping”, com uma
47
ferramenta parecida com as ferramentas tipo "Fellows", mostrada na figura 3.24. Este
processo foi concebido em 1910, porém só recentemente começou a ser mais utilizado
devido à necessidade de ser ter um sincronismo preciso dos eixos das máquinas
ferramentas que só foi conseguido pelos fabricantes de máquinas recentemente.
HYATT (2014) e SANDVIK (2017) explica que tipicamente o processo de “Power
skiving” é de quatro a cinco vezes mais rápido quando comparado ao processo de
“Shapping”. Isso é possível porque neste processo a geração dos dentes é realizada de
uma só vez e não são necessários os movimentos não produtivos da ferramenta de
entrada e saída da peça, realizado dente a dente no processo de shaper.
Figura 3.24: Geometria e Cinemática Básica para o processo de Power Skiving,
STADTFELD (2014).
48
Figura 3.25: Ferramentas para processo Power Skiving com pastilhas
intercambiáveis de metal duro, INGERSOLL (2017).
3.8 Processos de acabamento de engrenagens
LANGE (2003) descreve os típicos processos de acabamento de engrenagem e
suas utilizações. São eles:
Fresamento de dentes de engrenagem em duro (após o tratamento
térmico) com fresa tipo caracol (Hard Hobbing ou Skiving hob no
inglês). É utilizado por algumas empresas que fazem engrenagens de
sincronismo de motores de veículos. YONEKURA (1998) e YONG
(2013) comentam que esse processo pode ser utilizado para engrenagens
de módulos médios e grandes de qualidade não tão alta visando obter um
custo de fabricação baixo e uma alta produtividade.
Shaving ou raspagem no português (nas indústrias o mais utilizado é o
termo em inglês). Realizado na peça em verde (antes do tratamento
térmico). É utilizado em empresas que fazem engrenagens para
transmissões e redutores de velocidade para engrenagens de dentes retos
e dentes helicoidais.
Retificação de dentes. Realizado após o tratamento térmico por
empresas que fazem transmissões com engrenagens de dentes retos e
49
helicoidais. Também é utilizado em transmissões axiais, também
chamada de engrenagens cônicas hipoidais.
Brunimento (honing no inglês). Também utilizado em engrenagem de
transmissões.
Lapidação. Utilizado em engrenagens cônicas e engrenagens axiais
(engrenagens cônicas hipoidais).
Um processo de acabamento que merece destaque é a retificação que é utilizada
para se obter engrenagens com melhor qualidade, em que e é possível atingir qualidade,
classificação DIN 3 ou 4.
As engrenagens grandes normalmente necessitam ser retificadas, pois durante o
processo de tratamento térmico ocorrem distorções dimensionais consideráveis no perfil
dos dentes e a retificação corrige essas distorções.
LIEBHERR (2008) afirma que há dois tipos de processos retificação de dentes
de engrenagens:
Retificação de Dentes por geração. Neste caso o rebolo se parece com
caracol utilizado no processo “HOB”, que consiste no movimento de
“engrenamento” da ferramenta com a peça, como se fosse uma coroa e
um parafuso sem-fim, o que faz com que todos os dentes sejam
retificados simultaneamente (figura 3.26).
Figura 3. 26: Retificação de dentes de Engrenagens por geração (LIEBHERR,
2008)
50
Como vantagem, esse processo apresenta tempos pequenos de usinagem,
pequeno tempo de contato entre a peça e ferramenta, que diminui a tendência do
fenômeno denominado queima de retificação. Os rebolos podem ser construídos de
óxido de alumínio ou CBN.
Retificação de dentes por perfil. Nesse processo o rebolo se parece com
o disco de corte, utilizado para o desbaste. O rebolo recebe a forma
através da dressagem do perfil de um dente e executa a usinagem da peça
dente por dente. É possível retificar a raiz do dente, assim como fazer
geometrias complexas facilmente com a “dressagem” do rebolo. Os
rebolos podem ser construídos de óxido de alumínio ou CBN. Como
vantagem, o rebolo para retificação por perfil apresenta um custo inferior
de aquisição quando comparado ao rebolo utilizado na retificação por
geração. Por outro lado, os tempos de usinagem são mais elevados
(Figura 3.27).
Figura 3.27: Retificação de dentes de Engrenagens por formação (LIEBHERR,
2008)
51
4 QUALIDADE DA PEÇA
4.1 Introdução Teórica
Em um mundo globalizado em que a competitividade se torna cada vez maior,
seja devido à facilidade de importar produtos de outros países ou aos próprios
competidores nacionais, é de suma importância que uma empresa produtora de
engrenagem, seja em larga ou baixa escala, produza produtos com qualidade dentro do
especificado já na primeira oportunidade, para que as falhas nos equipamentos finais em
funcionamento sejam muito próximas de zero e, com isso, sejam mínimos os custos
com retrabalhos, refugos e consertos em garantia.
Visando uma padronização na qualidade obtida nas engrenagens para serem
utilizadas em equipamentos de aplicação similar ou equivalente, a AGMA (Associação
Americana de Fabricantes de Engrenagens) nos Estados Unidos e o DIN (Instituto
Alemão de normalização) na Alemanha estabeleceram alguns padrões a serem
observados por seus membros. Como os grandes fabricantes de máquinas equipadas
com engrenagens possuem sede em um destes dois países, os mesmos seguem estas
duas normas e os demais países, como o Brasil, também utilizam e aceitam estes
padrões.
Se por um lado na norma DIN, o Grau de qualidade começa com 1 e termina
com 11, sendo que quanto menor o grau, melhor será a qualidade atingida na fabricação,
na norma AGMA, a qualidade começa com 7 e termina com 15 e, neste caso, quanto
maior o grau de qualidade melhor será a qualidade da engrenagem.
LANGE (2003) criou uma comparação entre as classes de qualidade AGMA e
DIN, bem como relacionou a essas classes de qualidade as respectivas aplicações destas
engrenagens. Esta comparação está detalhada na tabela 4.1.
Com base na tabela 4.1 é possível observar que as engrenagens que possuem
uma especificação de qualidade DIN inferior ao grau 7 (número menor que 7) devem
necessariamente ter o dentado acabado com o processo de Retificação de dentes. Já as
que possuem uma qualidade inferior (número maior que 7), podem ter o dentado
acabado em processos alternativos e que apresentam custos inferiores de fabricação,
como o de shaving ou hobbing.
52
Tabela 4.1: Intervalo de Aplicação das engrenagens (LANGE, 2003)
LANGE (2003) também faz uma correlação entre a qualidade alcançada e os
métodos de usinagem de fabricação das engrenagens. Na tabela 4.2 pode-se observar e
com isso escolher qual o melhor processo ou ferramenta a ser utilizada para atingir a
qualidade requerida em projeto ou desenho.
53
Tabela 4.2: Qualidade Atingida em diversos métodos de fabricação (LANGE, 2003)
4.2 Desvios típicos para perfil evolvente e linha de flanco de
engrenamentos
1) Perfil evolvente (Figura 4.1), medidos na linha média da largura do
engrenamento, conforme KLINGELNBERG (2000):
-FHαm: Variável que mensura a variação média do desvio angular do perfil
evolvente do dente.
-FHα: Variável que mensura a variação individual do desvio angular do perfil
evolvente do dente.
-Fα: Variável que mensura o desvio total do perfil evolvente do dente.
-ffα: Variável que mensura o desvio de forma do perfil evolvente.
54
KLINGELNBERG (2000) informa que essas variáveis são válidas para
medições conforme a norma DIN. Já para uma medição segundo a norma AGMA, o
único desvio médio é o desvio total denominado Fα.
Figura 4.1: Ilustração dos desvios de perfil evolvente (KLINGELNBERG, 2000)
LANGE (2003) explica que o gráfico da medição do perfil evolvente desenhado
pelo centro de medição de peças dentadas não representa o desenho do dente e sim uma
projeção da geometria do dente, conforme ilustra a figura 4.2. Com isso, com exceção
das regiões de alívio de ponta e alívio de raiz do dente, a representação gráfica se torna
uma linha reta.
Figura 4.2: Projeção da Evolvente (LANGE, 2003)
55
2) Linha de flanco (ângulo de hélice), observado na figura 4.3, aparecem os
seguintes termos:
-FHβm: Variável que mensura a variação média do desvio da linha de flanco
(ângulo de hélice).
-FHβ: Variável que mensura a variação individual do desvio angular da linha de
flanco (ângulo de hélice).
-Fβ: Variável que mensura o desvio total da linha de flanco (ângulo de hélice).
-ffβ: Variável que mensura o desvio de forma da linha de flanco (ângulo de
hélice), em outras palavras, pode-se dizer que essa variável mensura a ondulação da
linha de flanco.
Para que haja uma padronização nas medições, os desvios da linha de flanco são
medidos no diâmetro primitivo do engrenamento
KLINGELNBERG (2000) explica que essas variáveis são válidas para medições
conforme a norma DIN. Já para uma medição segundo a norma AGMA, o único desvio
médio é o desvio total denominado Fβ. Klingelnberg (2000) também ilustra com a figura
4.3 como é medida cada uma destas variáveis dos desvios do perfil evolvente de
engrenagens.
Figura 4.3: Ilustração dos desvios da linha de flanco (KLINGELNBERG, 2000)
56
5 MÉTODOS EXPERIMENTAIS
Os métodos experimentais foram divididos em três fases:
Fase 1 – variação dos erros de forma em função do avanço
Para essa fase foram realizados experimentos tendo como variável de entrada o
avanço por volta da ferramenta. Para cada avanço, uma peça era usinada. Após a
usinagem, medições dos erros de Fα, Fβ e ffβ (descritos no capítulo 4) eram realizadas
nesta peça e verificadas as variações dos erros de forma e posição do dentado. Como há
sempre um interesse da indústria na redução do tempo de ciclo das peças e um dos
parâmetros para se obter a redução do tempo de ciclo é o aumento do avanço por volta
da ferramenta, o objetivo desta fase foi conhecer a influência do avanço nos erros de
forma e posição e qual seria o limite de aumento do avanço.
Foram utilizados 11 avanços em mm/volta: 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8;
3,0; 3,2 e 3,4 para os caracóis de módulo 3 e módulo 6 com ferramentas caracóis de aço
rápido e também com ferramentas com insertos intercambiáveis de metal duro.
Para o ensaio realizado com tamanho de dente módulo 3 com ferramenta tipo
caracol convencional de aço rápido a velocidade de corte utilizada foi de 140 m/min. e,
posteriormente, com os mesmos avanços e também em 11 peças com ferramenta caracol
com insertos intercambiáveis de Metal Duro, a velocidade utilizada foi 200 m/min.
Conforme Sandvik (2015), o valor do avanço máximo é limitado à máxima espessura
máxima do cavaco recomendada pelo fabricante da ferramenta, que para esse caso é de
0,25 mm. Assim, depois de calculado para o módulo 3, conforme é mostrado no
capitulo 3, o avanço máximo utilizado foi de 3,4 mm/volta.
As peças utilizadas para o módulo 3 utilizadas nos ensaios desta fase são
chamadas de eixos pinhões, possuem diâmetro externo de 52mm e comprimento de
167mm e dentes helicoidais conforme é mostrado na figura 5.1.
57
Figura 5.1: Peça utilizada nos testes
O material destas peças foi o aço para a cementação DIN ISO 16MnCrS5, cuja
composição química é conforme tabela 5.1:
Tabela 5.1: Composição química do aço 16MnCrS5 (STEEL NUMBERS, 2017)
Carbono %
Silício %
Manganês %
Fósforo %
Enxofre %
Cromo %
0.14 - 0.19 Máximo
0.4 1 - 1.3
Máximo 0.025
0.02 - 0.04 0.8 - 1.1
Para as peças de módulo 3 são previstas as seguintes tolerâncias para os erros de
engrenamentos: Fα= 71µm, Fβ = 40µm e ffβ = 28µm.
Foi utilizada uma máquina CNC cortadora de engrenagens suíça Gleason P90
com 8 eixos de programação produzida pela empresa Gleason-Pfauter Modelo P90
(Figura 5.2.).
58
Figura 5.2: Eixos da Máquina Fresadora de Dentes Gleason Pfauter P90 utilizada
nos testes (GLEASON, 2017)
Esta máquina possui as características técnicas conforme a tabela 5.2:
Tabela 5.2: Características Técnicas-máquina Gleason Pfauter P90 (Gleason, 2017)
Característica Unidade Valor
Diâmetro máximo da peça mm 120
Comprimento máximo da peça mm 550
Módulo nominal máximo mm 4
Rotação máximo no fuso de trabalho RPM 3.000
Máximo diâmetro do Caracol mm 90
Curso do carro Lateral mm 220
Comprimento máximo do caracol mm 180
Diâmetro máximo do disco de corte de sem fim mm 118
Máximo comprimento possível de shift mm 180
Ângulo Máximo de movimentação do cabeçote fresador ° 118/-45
Potência do Fuso Fresador kW 28
Peso da máquina kg 5.500
Gleason Pfalter P90
Dados Técnicos
59
As ferramentas utilizadas foram as seguintes:
Caracol com insertos intercambiáveis módulo 3 conforme Figura 5.3 e
qualidade B (DIN3968). Os insertos utilizados foram de metal duro ISO
P35 (Figura 5.4).
Figura 5.3: Fresa Caracol com insertos intercambiáveis módulo 3
Figura 5.4: Inserto para Fresa Caracol
60
1. Foi utilizada a pastilha com substrato P35 e com a cobertura de TiAlCrN,
denominada A4T5 ou GC1130 (Figura 5.5). Segundo Sandvik (2017) a
cobertura GC 1130 é otimizada para fresamento de aços e é produzida
com a tecnologia denominada pela companhia Sandvik de Zertivo, que
resulta em uma melhor integridade da aresta de corte, reduzindo o
lascamento e a escamação. Sandvik (2017) também afirma que essa
inserto possui um substrato com alto teor de grãos finos de carbono que
aumenta a resistência ao desgaste e ameniza o aparecimento de trintas
provenientes de diferentes condições de usinagem, tal como a variação
de temperatura.
Figura 5.5: Ilustração da cobertura TiAlCrN (SANDVIK 2017)
Caracol inteiriço de aço rápido sinterizado módulo 3 de material S-390
(Material T15 – modificado) da empresa BÖHLER com cobertura de
AlCrN (Figura 5.6) e qualidade de fabricação AA, conforme DIN3968.
Segundo Balzers (2017) a cobertura AlCrN, também é chamada de
Alcrona e é um revestimento PVD extremamente resistente ao desgaste
com dureza à quente e com estabilidade em trabalhos com choques
térmicos.
61
Figura 5.6: Foto e composição química em % do substrato S-390 do Caracol
inteiriço de Aço Rápido - Balzers (2017)
Além dos experimentos com as peças de módulo 3, foi realizado estudo do
comportamento dos erros de forma e posição dos engrenamentos em função da variação
do avanço com peças de tamanho de dente módulo 6 com a mesma quantidade de peças
e com cortadores de aço rápido e com insertos intercambiáveis de metal duro. Como as
peças módulo 6 são maiores, os experimentos foram realizados na máquina Liebherr
LC700 com seis eixos (Figura 5.7). As características técnicas desta máquina estão
mostradas na tabela 5.3.
62
Figura 5.7: Máquina Liebherr LC700
Tabela 5.3: Características Técnicas da máquina Liebherr LC 700 (Liebherr, 2017)
As peças utilizadas para esse ensaio foram engrenagens com diâmetro externo de
492 mm e largura de 112 mm. (Figura 5.8.)
Característica Unidade Valor
Módulo mm 18
Máximo Diâmetro de Trabalho mm 700
Máximo Curso Axial mm 1.000
Máximo Shift possível mm 300
Máximo Diâmetro do Caracol mm 300
Comprimento do dispositivo de fixação mm 430
Rotação máxima da ferramenta rpm 375
Dados Técnicos
Liebherr LC 700
63
Figura 5.8: Peças módulo 6 utilizadas nos testes
O material utilizado nestes ensaios com engrenagens de módulo 6 foi o aço para
a cementação DIN ISO 18CrNiMo6-7 cuja composição química é conforme tabela 5.4:
Tabela 5.4: Composição Química do aço 18CrNiMo6-7 (Steel numbers, 2017)
Carbono %
Silício %
Manganês %
Fósforo %
Enxofre %
Cromo %
Molibdênio %
Níquel %
0.15 - 0.21 Máximo
0.4 0.5 – 0.9
Máximo 0.035
Máximo 0.035
1.5 - 1.8 0.25 - 0,35 1.4 – 1,7
Para o ensaio realizado com tamanho de dente módulo 6 com ferramenta tipo
caracol convencional de Aço rápido a velocidade de corte foi de 64 m/min e,
posteriormente, com os mesmos avanços e também em 11 peças com ferramenta caracol
com insertos intercambiáveis de Metal Duro a velocidade de corte foi 140 m/min.
Para as peças de módulo 6 são previstas as seguintes tolerâncias para os erros de
engrenamentos: Fα= 90µm, Fβ = 50µm e ffβ = 40µm.
Para os testes com as peças de dentes tamanho módulo 6 foram utilizadas as
seguintes ferramentas:
64
Caracol com insertos intercambiáveis módulo 6 conforme Figura 5.10,
com qualidade de fabricação B (DIN 3968). Os insertos utilizados foram
de metal duro ISO P35 com a cobertura de TiAlN PVD (GC 1030), que
possui a cor bronze. (Figura 5.9). SANDVIK (2017) afirma que essa
cobertura combina excelente elasticidade com a resistência ao desgaste.
Figura 5.9: Ilustração da cobertura GC1030 - TiAlN PVD, (Sandvik 2017)
Figura 5.10: Fresa caracol com insertos intercambiáveis módulo 6
65
Caracol inteiriço de aço rápido módulo 6 de material S-390 (T15),
conforme a figura 5.10 e com cobertura de Nitreto de Titânio TiN e
qualidade de fabricação AA (DIN3968).
Figura 5.11: Foto do Caracol inteiriço de Aço rápido módulo 6
66
Fase 2 – Ensaios de Vida das ferramentas
O objetivo desta fase foi a verificação das vidas das ferramentas na máquina
Gleason P90 (figura 5.2) em peças denominadas eixos pinhões (figura 5.1) de tamanho
de dente módulo 3. As medições de vida foram feitas em comprimento e tempo de
corte, desde o momento que as ferramentas eram novas até o ponto em que o erro de
engrenamentos Fα ultrapassava o limite tolerado de 71 µm.
O comprimento de avanço (Cavanço) foi calculado pela seguinte equação,
conforme procedimento interno da empresa SEW-EURODRIVE:
𝐶𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜 =𝐿
𝑐𝑜𝑠 𝛽 × 𝑧 , Equação (5.1)
Onde:
L = largura do dente.
β = ângulo de hélice do engrenamento.
z = número de dentes.
Foram realizados três experimentos diferentes com as ferramentas:
- Caracol de aço rápido convencional com três réplicas, idêntico ao usado na
fase 1 com a velocidade de corte de 140 m/min. e avanço de 1,8 mm/volta. A
velocidade e o avanço de corte foram utilizados com os mesmos valores que eram
utilizados na produção usual da empresa em que foram realizados os testes.
Para a ferramenta caracol de aço rápido foram realizadas três medições de vida.
Ao final de todas as vidas foram usinadas um total de 1.981 peças com este cortador.
- Caracol com pastilhas intercambiáveis de metal duro com substrato P35 e
cobertura TiAlN (GC1030). A cobertura TiAlN é a mesma cobertura utilizada nos
insertos de módulo 6 utilizado na fase 1. Os parâmetros de corte utilizados nestes
ensaios foram velocidade de corte de 200 m/min. e avanço de 2,7 mm/volta.
- Caracol com pastilhas intercambiáveis de metal duro com substrato P35 e
cobertura TiAlCrN (GC1130), idêntica da fase 1. Os parâmetros de corte utilizados
67
nestes ensaios foram os mesmos utilizados no ensaio com a ferramenta que tinha
cobertura GC 1030.
As duas pastilhas diferentes utilizadas nos ensaios desta fase possuem o mesmo
substrato e coberturas diferentes.
Para o caracol com insertos de metal duro com substrato P35 foram realizados
cinco ensaios de vida em 5.964 peças. Dentre estas cinco medições, três foram
realizadas com a cobertura 1130 e dois com a cobertura 1030.
Fase 3 – Análise de Custo
Como foram realizados experimentos com caracóis diferentes, também foi
realizado, para melhor clareza de qual tipo de cortador é mais vantajoso
financeiramente, uma análise crítica do custo da ferramenta e da máquina por peça,
levando em consideração os valores obtidos nos testes práticos deste trabalho e os
custos típicos de uma indústria especializada em corte de engrenagens.
Nesta fase foi utilizado um modelo adaptado de análise de custos da empresa em
que foram realizados os testes, ou seja, a SEW-EURODRIVE.
68
6 RESULTADOS E DISCUSSÕES
6.1 Fase 1 - Variação dos erros de forma em função do avanço.
Como o tempo de corte é inversamente proporcional à velocidade de corte e ao
avanço por volta, quanto maior forem estes parâmetros, menor será o tempo obtido.
Assim, o objetivo é descobrir qual o maior avanço que poderia ser utilizado sem
comprometer a qualidade da peça, e para tanto foi mensurado a variação dos erros Fα,
Fβ e ffβ em peças de módulo 3 que podem ser observados na tabela 6.1:
Tabela 6.1: Erros em função do avanço para módulo 3
Para facilitar a compreensão, foi elaborado o gráfico da Figura 6.1 que mostra o
gráfico da variação dos erros de perfil (Fα) em função do avanço.
Figura 6.1: Erro de Perfil Fα em função do avanço com caracóis de módulo 3
Peça 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
f(mm/rot) 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4
erro de perfil Fα - Tolerância 71 71 71 71 71 71 71 71 71 71 71
erro de perfil Fα - Metal Duro 29 29 32 31 36 35 36 40 44 44 57
erro de perfil Fα - Aço Rápido 28 32 29 30 30 37 41 37 37 37 35
Erro Linha de Flanco ( ângulo de hélice) Fβ - Tolerância 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40
Erro Linha de Flanco ( ângulo de hélice) Fβ - Metal Duro 18 15 20 20 17 12 17 16 18 17 22
Erro Linha de Flanco ( ângulo de hélice) Fβ - Aço Rápido 16 20 20 19 22 18 22 26 25 20 25
Erro de Linha de Flanco ffβ - Tolerância 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28
Erro de Linha de Flanco ffβ - Metal Duro 3 3 3 4 5 6 8 11 12 14 15
Erro de Linha de Flanco ffβ - Aço Rápido 2 2 2 2 2 3 3 4 4 5 6
Dados Coletados no processo
69
Observa-se na figura 6.1 que os erros Fα obtidos para ambos os cortadores foram
similares e aumentava levemente com o aumento do avanço, até o avanço de 2,8
mm/rotação. A partir deste ponto, o erro obtido no fresamento com ferramenta de aço
rápido ficou praticamente constante com o avanço e o erro obtido com ferramenta de
metal duro passou a crescer mais rapidamente. Os valores obtidos estão conforme os
estudos de SVAHN et al., (2014) e (2015), que explicam que os caracóis com insertos
intercambiáveis apresentam erros maiores quando comparado com os caracóis inteiriços
de aço rápido, devido ao fato de ter erros de posicionamento de montagem dos insertos.
Quando os testes foram efetuados com o caracol de aço rápido no módulo 3,
observa-se também que o aumento do avanço faz com que haja também um aumento do
erro Fα, porém numa taxa menor que aquele ocorrido com a ferramenta de metal duro.
O que causou a diferença foi o sistema de fixação da aresta de corte, pois no caracol de
aço rápido a fixação da aresta de corte é rígida, já que a ferramenta é inteiriça. Já no
caso do caracol com insertos de metal duro intercambiáveis, os insertos são montados
no caracol em guias retificadas para aumentar a rigidez no momento de fixação da
pastilha (figura 6.2) e os insertos são presos por um sistema de parafuso e cunha. O
aperto do parafuso é controlado por uma chave com torquímetro. Mesmo com bom
sistema de fixação, o cortador com pastilhas não é tão rígido e a pastilha pode sofrer
pequenas movimentações, principalmente quando maiores avanços são utilizados com
consequente maiores forças de corte e, com isso, incentivando as movimentações que
influenciam os erros.
Figura 6.2: Sistema de fixação da pastilha no caracol
70
Há que se apontar porém que, mesmo com a utilização do máximo avanço
permitido pelo fornecedor da ferramenta (3,4 mm/volta), o erro obtido ainda é bem
menor que o tolerado no projeto do produto, que é de 71 m.
A Figura 6.3 mostra o erro de Linha de Flanco ffβ em função do avanço por
rotação para os dois cortadores utilizados.
Figura 6.3: Erro ffβ em função do avanço com caracóis de módulo 3
Pode-se ver nesta figura que o avanço novamente influenciou o erro. Isso se dá,
pois, o valor ffβ é similar a uma medição da ondulação da superfície usinada e que
aumenta com o aumento do avanço da ferramenta, devido à sua contribuição geométrica
para a ondulação.
Quando se compara os valores dos erros de ffβ obtidos com caracol com
pastilhas de metal duro e com caracol inteiriço de aço rápido, vê-se que a influência do
avanço no erro é maior na ferramenta de metal duro, principalmente a partir do avanço
de 1,8 mm/volta, valor a partir do qual o erro obtido com a ferramenta de metal duro
passa a crescer mais rapidamente. Isso se deve, como no erro Fα, ao metal duro ter o
71
corte realizado com pastilhas intercambiáveis que, mesmo que a montagem da pastilha
no caracol seja bastante precisa, gerará uma pequena diferença de altura entre duas ou
mais pastilhas, com consequente variação do erro de circularidade e de excentricidade
(batimento radial) do cortador, que refletirá em um aumento do erro da engrenagem
cortada. Esta diferença se deve ao fato das pastilhas terem tolerâncias dimensionais na
casa dos centésimos de milímetro, portanto bem maiores que a rugosidade obtida. Já o
cortador de aço rápido é retificado, tendo variação de circularidade bem menor.
Verifica-se que, mesmo com a utilização do máximo avanço permitido pelo
fornecedor da ferramenta, o erro obtido ainda é bem menor que o tolerado no projeto do
produto, que é de 28 m.
A figura 6.4 mostra a influência do avanço da ferramenta no erro de linha de
flanco F.
Figura 6.4: Erro Fβ em função do avanço com caracóis de módulo 3
É possível visualizar na figura 6.4 que com a utilização de caracol com insertos
intercambiáveis os erros de linha de flanco ficam praticamente estáveis com o avanço.
Já com a utilização de caracol inteiriço de Aço Rápido, o erro Fβ apresenta uma leve
tendência de alta com o avanço. Interessante notar que a falta de rigidez na fixação das
pastilhas e o maior batimento radial do cortador com pastilhas não ocasionou maiores
erros da linha de flanco. O caracol de metal duro possui uma rigidez maior, pois possui
a metade do comprimento (180 mm contra 90 mm) e 10 mm a mais no diâmetro (90
72
mm contra 80 mm do caracol de aço rápido). Esta maior rigidez compensou os erros
causados pela fixação das pastilhas e pelo maior batimento radial e fez com que o
cortador de metal duro gerasse erro F similar ou até mesmo menor que o cortador de
aço rápido.
Foi verificado que, mesmo com a utilização do máximo avanço permitido pelo
fornecedor da ferramenta, o erro obtido ainda é bem menor que o tolerado no projeto do
produto, que é de 40 m.
Para confirmar os dados obtidos nos ensaios com caracol de módulo 3, também
foram realizados testes com caracol módulo 6 com pastilhas intercambiáveis de metal
duro e de Aço rápido que apresentaram resultados conforme a tabela 6.2.
Tabela 6.2: Erros em função do avanço para módulo 6
Para que ficasse mais claro, os resultados, foi elaborado o gráfico da figura 6.5 mostra a
influência do avanço no erro de perfil F
Figura 6.5: Erro Fα em função do avanço com caracóis de módulo 6
Peça 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
f(mm/rot) - Aço Rápido 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4
erro de perfil Fα - Tolerância 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
erro de perfil Fα - Aço Rápido 11 11 12 14 13 14 19 19 20 22 21
erro de perfil Fα - Metal Duro 20 28 29 31 32 35 35 36 37 37 39
Erro Linha de Flanco ( ângulo de hélice) Fβ - Tolerância 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50
Erro Linha de Flanco ( ângulo de hélice) Fβ - aço Rápido 17 21 25 26 27 26 30 31 32 35 31
Erro Linha de Flanco ( ângulo de hélice) Fβ - Metal Duro 38 32 39 35 35 37 35 39 33 36 38
Erro de Linha de Flanco ffβ - tolerância 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40
Erro de Linha de Flanco ffβ - Aço Rápido 5 6 6 7 8 8 8 10 10 10 12
Erro de Linha de Flanco ffβ - Metal Duro 7 8 8 9 10 11 11 13 12 13 15
Dados Coletados no processo
73
As tendências dos valores obtidos nos ensaios com o caracol módulo 6 são
similares às apresentadas pelo caracol de módulo 3, isto é, o caracol de aço rápido gerou
peças com qualidade superior ao metal duro pelos mesmos motivos explicados
anteriormente. Além disso, com o aumento do avanço o erro também aumenta, para os
dois tipos de cortadores.
Notou-se que a pastilha utilizada no cortador de módulo 6 possui um tamanho
maior que a pastilha para módulo 3. Por isso as forças de fixação da pastilha no corpo
do cortador são maiores, fazendo com que esta ferramenta suporte maiores avanços sem
aumentar os erros causados na peça. Essa característica geométrica, fez com que o erro
Fα não crescesse rapidamente para o módulo 6 a partir do avanço de 2,8mm/rotação,
como verificou-se no módulo 3.
Há que se apontar porém que, mesmo com a utilização do máximo avanço
permitido pelo fornecedor da ferramenta, o erro obtido ainda é bem menor que o
tolerado no projeto do produto, que é de 90 m.
A Figura 6.6 mostra a influência do avanço nos erros de linha de flanco ff
Figura 6.6: Erro ffβ em função do avanço com caracóis de módulo 6
74
Assim como no resultado dos caracóis de módulo 3, os resultados dos ensaios
apresentados para o caracol de módulo 6, mostrados no gráfico da figura 6.6, mostram
que os erros ffβ crescem com o aumento do avanço. Porém, quando se compara os
valores mostrados nesta figura com aqueles mostrados na figura 6.3 (erros ffβ obtidos
nas engrenagens com módulo 3), vê-se que, para o módulo 6, as duas curvas têm a
mesma tendência de crescimento com avanço ao longo de toda a gama de avanço
testada, diferentemente do que ocorreu no corte das engrenagens com módulo 3, em
que, a partir de um certo avanço, o erro obtido com o cortador de metal duro cresceu
mais rapidamente com o avanço que o erro obtido com o cortador de aço rápido. Este
resultado conduz à conclusão que o maior batimento radial da ferramenta de metal duro
não é tão influente na rugosidade da peça quando se corta uma peça maior, como a
engrenagem com módulo 6.
Nota-se que, mesmo com a utilização do máximo avanço permitido pelo
fornecedor da ferramenta, o erro obtido ainda é bem menor que o tolerado no projeto do
produto, que é de 40 m.
A figura 6.7 mostra a influência do avanço nos erro de Linha de Flanco F.
Figura 6.7: Erro Fβ em função do avanço com caracóis de módulo 6
75
Os dados de Fβ coletados nos ensaios do caracol módulo 6 com insertos
intercambiáveis apresentaram uma trajetória de estabilidade, não indicando uma
tendência de alta com o avanço. Já o erro obtido com o cortador de aço rápido cresceu
com o avanço, apesar de sempre ter sido menor que o erro obtido com o cortador de
metal duro. Para o metal duro, o resultado teve tendência similar ao cortador de módulo
3 (figura 6.4), o que indica que a alteração deste erro está mais ligada à rigidez da
ferramenta e do sistema de fixação da máquina. Também para o aço rápido o resultado
também foi similar, ou seja, tendo uma leve tendência de alta. O caracol de aço rápido
(já utilizado na empresa em que foram realizados os testes) foi produzido com o grau de
qualidade AA, segundo a norma DIN3968 que, conforme explicado no capítulo 3, é o
melhor grau de qualidade possível para uma fresa caracol. Já o caracol de Metal Duro
foi construído com o grau de qualidade intermediária B (Melhor grau de qualidade
possível em termos de forma e posição para um caracol com insertos de metal duro). A
diferença do grau de qualidade explica o melhor resultado da ferramenta de aço rápido.
É importante salientar que, mesmo com a utilização do máximo avanço recomendado
pelo fornecedor da ferramenta, o erro obtido ainda é bem menor que o tolerado no
projeto do produto, que é de 50 m.
Assim, baseado nas tolerâncias de desenho e nos erros encontrados de perfil F
e de Linha de Flanco Fβ e ffβ é possível utilizar-se o máximo avanço a fim de que se
consiga um corte mais rápido da engrenagem.
6.2 Fase 2 - Vida das ferramentas para caracol módulo 3
Baseado nos resultados obtidos na fase 1 dos experimentos, decidiu-se realizar
os ensaios de vida da ferramenta com insertos de metal duro com velocidade de corte de
200 m/min e avanço de 2,7 mm/rotação, pois o erro Fα aumentava bastante utilizando
avanços maiores ou iguais a 2,8 mm/rotação. Para a ferramenta de Aço Rápido, como já
era utilizada na empresa que foram realizados os testes, optou-se pela manutenção dos
dados de corte, ou seja, com a velocidade de corte de 140 m/min e 1,8 mm/rotação, o
que fez com que o tempo de ciclo das peças cortadas com o cortador de Aço Rápido
fosse maior.
Os valores de vida das ferramentas em tempo e comprimento de corte foram
mensurados por aresta de corte, ou seja, foi verificado o valor atingido e dividido pelo
76
número de arestas existentes no respectivo caracol (caracol de aço rápido com 274
arestas de corte e o caracol com insertos de metal duro com 84 arestas de corte).
A tabela 6.3 mostra os valores obtidos no ensaio de vida:
Tabela 6.3: Tabela de vida das ferramentas
Após a execução dos testes também foi consolidado na tabela 6.4 o valor médio
do resultado de vida das três ferramentas, considerando como fim de vida o momento
em que o erro Fα ultrapassasse o limite tolerado em desenho.
Tabela 6.4: Tabela de vida média das ferramentas
As Figuras 6.8 e 6.9 mostram respectivamente as vidas obtidas para cada
ferramenta, tanto em termos de tempo de corte, quanto em termos de comprimento de
avanço cortado.
Tempo por aresta Comprimento de avanço Tempo por aresta Comprimento de avanço Tempo por aresta Comprimento de avanço
(Minutos) por aresta (Metros) (Minutos) por aresta (Metros) (Minutos) por aresta (Metros)
P35 (Cobertura TiAlN) 25 36 26 31 - -
P35(Cobertura TiAlCrN) 29 37 32 41 32 43
Aço Rápido 6 4 10 7 10 9
Material
1ª Vida 2ª Vida 3ª Vida
Tempo de corte útil por aresta Comprimento de avanço
(Minutos) por aresta (Metros)
P35 (Cobertura TiAlN) 26 34
P35(Cobertura TiAlCrN) 31 40
Aço Rápido 9 6
Material
Média
77
Figura 6.8: Vida das ferramentas em função do tempo de corte (minutos)
Figura 6.9: Vida das ferramentas em função do comprimento de avanço (metros)
A Figura 6.10 mostra o ganho percentual de vida em relação à vida obtida com a
ferramenta de aço rápido (que era a ferramenta originalmente utilizada na indústria)
para as duas ferramentas de metal duro testadas.
26
31
9
0
10
20
30
40
Tempo por aresta ( min.)
Min
uto
sTempo de corte por aresta
P35 (Cobertura TiAlN) P35 (Cobertura TiAlCrN) Aço Rápido
34
40
6
0
10
20
30
40
50
Met
ros
Comprimento de avanço por aresta
P35 (Cobertura TiAlN) P35 (Cobertura TiAlCrN) Aço Rápido
78
Figura 6.10: Crescimento da vida útil do caracol com insertos de metal duro em
relação ao Aço Rápido
A vida das ferramentas de metal duro foi bem superior à vida com a ferramenta
de aço rápido como mostra a Figura 6.10. Em termos de tempo de corte, a vida da
ferramenta aumentou 192% quando utilizado a cobertura TiAlN (GC1030) e 255% com
a cobertura TiAlCrN (GC 1130).
Levando em consideração a vida das ferramentas em relação ao comprimento de
avanço os ganhos são ainda maiores, ou seja, com a cobertura TiAlN (GC1030) o ganho
é mais de 418% e com a cobertura TiAlCrN (GC1130) o ganho é de 524%. Esse ganho
maior no comprimento de corte é explicado pelo motivo que o cortador com insertos,
obteve um tempo de ciclo menor (devido à maior velocidade de corte e ao maior avanço
utilizados) e, por consequência, cortou um comprimento maior no mesmo espaço de
tempo.
Baseado nestes resultados, conclui-se que o uso de cortador de metal duro
propicia um corte mais rápido e mesmo assim com maior vida da ferramenta (maior
número de peças cortadas por vida). Isto é de grande valia para a empresa em especial
quando a demanda de produção é alta, gerando economia em termos de número de
máquinas necessárias para certa demanda.
192%
255%
418%
524%
P35 (Cobertura TiAlN)
P35 (Cobertura TiAlCrN)
Crescimento da vida em em relação ao Aço Rápido
Comprimento de avanço cortado por aresta (m.) Tempo por aresta ( min.)
79
Porém, estes resultados já eram esperados, já que as características de uma
ferramenta de metal duro (dureza a quente, resistência ao desgaste abrasivo, etc.) são
bem superiores que as do aço rápido. O aço rápido é mais tenaz que o metal duro, o que,
supostamente poderia gerar ganhos se o fim da vida da ferramenta fosse causado por
avarias do tipo trincas, lascamentos ou quebras. Os resultados dos ensaios demonstram
que, apesar da usinagem de dentes de engrenagem ser um corte interrompido que
implica em choques da aresta de corte contra a peça em cada revolução da ferramenta,
as ferramentas de metal duro aqui utilizadas têm tenacidade suficiente para suportarem
estes choques e, assim, propiciarem que o fim de suas vidas se desse pelo desgaste e não
por avarias. Assim, como elas são bastante resistentes ao desgaste, elas propiciaram que
suas vidas fossem longas, mesmo utilizando um volume de material removido por
unidade de tempo bem maior que aquele utilizado com a ferramenta de aço rápido.
Pode-se dizer que houve um ganho de 20% em vida da ferramenta com a
cobertura TiAlCrN (GC 1130) em relação à cobertura TiAlN (GC1030), tanto em
termos de comprimento cortado quanto em termos de tempo de corte. Isso se deve a
dois motivos: a) o substrato da Cobertura TiAlCrN (GC1130) possui alto teor de finos
grãos de carbono (conforme descrito no capítulo 5) que ajuda na resistência ao
lascamento e trincas da aresta; b) o maior controle do processo PVD utilizado para a
cobertura da pastilha TiAlCrN (GC1130) e descrito no capítulo 5 – fase 1. Esse maior
controle que faz com que cada etapa do processo seja produzida nas condições corretas
que resulta na melhor adesão do revestimento no substrato e uma maior integridade da
aresta de corte. (Sandvik, 2017).
Nos fresamentos convencionais, com exceção de quando é utilizado pastilhas
alisadoras, o desgaste das pastilhas é uniforme, ou seja, há um mesmo desgaste para
todas as pastilhas. Já no fresamento de dentes de engrenagens com caracol, devido a
cinemática do corte, o desgaste dos insertos não é uniforme, pois cada inserto corta uma
parte específica do dente como mostra Liebherr (2008). (Figura 6.11).
80
Figura 6.11: A formação do cavaco no fresamento de dentes. (LIEBHERR,
2008)
Do ponto de vista financeiro essa característica é uma vantagem para a utilização
de caracol com insertos, pois os insertos com menos desgastes podem ser
reaproveitados posteriormente, conforme será explicado a seguir. Quando se utiliza
caracol inteiriço, independentemente do material de fabricação, havendo alguns dentes
com desgaste é necessário fazer a afiação de todos os dentes.
Também foi observado que além da característica de corte, parte das espiras de
entrada e saída do caracol, onde são fixados os insertos, também não aproveitadas, pois
são utilizadas como uma área de segurança para que possa ser garantida a formação do
dente. Então é possível, com um conjunto de pastilhas, fazer até três remanejamentos
das pastilhas e obter qualidade de vida útil em todas as oportunidades. Essa ação é
muito importante, pois como são pastilhas de fabricação especial, o custo de fabricação
é elevado. Na Figura 6.12 o comprimento do cortador foi dividido em quatro partes
denominadas de A, B, C e D, para uma melhor compreensão.
81
Figura 6.12: Sistemática de remanejamento de pastilhas.
(Adaptado, Sandvik, 2016)
A parte D compreende a região de entrada do caracol que por segurança de
processo não é usada, ou então é pouco utilizada. Então esses insertos podem ser
remanejados para fazer um trabalho em outra região para desbaste ou acabamento.
(Figura 6.13)
Figura 6.13: Foto de uma pastilha da região "D" após a utilização
A parte C é a região que faz o desbaste dos dentes e por isso é nela em que as
pastilhas apresentam o maior desgaste. (Figura 6.14).
82
Figura 6.14: Foto de uma pastilha da região "C" após a utilização
A parte B é a que faz o acabamento dos dentes, as pastilhas se desgastam
moderadamente. (Figura 6.15)
Figura 6.15: Foto de uma pastilha da região "B" após a utilização
A região A é a saída da ferramenta e que por segurança de processo (igual a
região A) não é, ou é pouca utilizada. (Figura 6.16)
83
Figura 6.16: Foto de uma pastilha da região "A" após a utilização
Então a estratégia utilizada foi a usinagem da primeira vida da ferramenta com
todas as pastilhas novas e realizar o primeiro remanejamento da seguinte maneira para
obter a segunda vida: as pastilhas da região B vão para a região C, já as pastilhas da
região A vão para a região B e por último as pastilhas da região C vão para a região A.
No segundo remanejamento para obter a terceira vida útil as pastilhas da região B vão
para a região C, já as pastilhas da região C vão para a região D e as pastilhas da região
D vão para a região B.
84
6.3 Fase 3 - Análise de Custo das ferramentas
Para a análise do custo é importante de salientar que os comprimentos dos
caracóis são diferentes, pois para cada caracol é utilizada uma estratégia diferente. Para
o caracol de aço rápido utiliza-se seu maior comprimento possível, 180mm, para
aumentar a vida do caracol. Para isto, utiliza-se os recursos denominados shifting e sub-
shifting (ver definição de shifting e sub-shifting no item 3.5) para com isso reduzir o
número e custo de reafiações e recobrimentos. Já para o caracol com pastilhas
intercambiáveis utiliza-se a estratégia do menor comprimento possível, 90 mm (em
função do diâmetro da peça a ser usinada), para reduzir o investimento inicial da
ferramenta e custo de troca das pastilhas. Então não se faz shifting com esse tipo de
caracol, mas apenas sub-shifting.
No estudo de custo foi levado em consideração o custo hora máquina baseado
em pesquisa de valor médio de mercado realizada com os fabricantes de ferramentas e
não custo real da empresa que os testes foram realizados.
O estudo de custo é apresentado a seguir, a Tabela 6.5 que apresentará os dados
técnicos da ferramenta e a Tabela 6.6 que apresenta os dados financeiros, que conforme
o capítulo 5 foi uma adaptação do modelo de testes da SEW-EURODRIVE (empresa
onde foram realizados os testes).
85
Tabela 6.5: Dados Técnicos da Ferramenta
Para que o entendimento dos números fosse facilitado, foi atribuído letras a cada
uma das variáveis da tabela 6.6 e ao lado foi acrescentada a equação a cada variável.
Para a depreciação do corpo da ferramenta com a utilização de pastilhas de metal
duro foi utilizado a legislação vigente que atualmente é 40 meses.
Tipo de Caracol
Velocidade de Corte (Vc - m/min)
Avanço Axial (fa - mm/rotação)
Profundidade de Corte (ap)
Número de Insertos Efetivos
Número de Arestas por Inserto
Número de Arestas por Conjunto
Líquido Refrigerante sim/não
Rugosidade
Quebra
Processo Estável
Peças Produzidas no Período (A) Peças/ano
Tempo de Usinagem da Operação min
Tempo de Ciclo da Peça (T0) min 3,241,46
Informações Técnicas da Ferramenta
16MnCrS1
3
14
Ângulo de Hélice [º]
Comprimento do Dentado [mm]
Profundide do Dente [mm]
11
173
4,71
84
Número de Dentes [z]
Módulo
Material
INFORMAÇÕES DA FERRAMENTA
Caracol com Inserto
IntercambiávelAço Rápido
200 140
Sim
2,7 1,8
4,71 4,71
274
3,241,46
12.52012.520
1 Não aplicado
RESULTADOS OBTIDOS
SimSim
84 Não aplicado
Não
Sim
Ok Ok
Não
86
Tabela 6.6: Comparativo de Custos da Ferramenta
No comparativo de Custo para o Caracol com insertos intercambiáveis foi
utilizado apenas o inserto com cobertura TiAlCrN (GC1130) que apresentou maior vida
e que tem o preço de aquisição igual ao do inserto com cobertura TiAlN (GC1030),
segundo Sandvik (2017).
Conforme a tabela 6.6, se considerar-se somente os custos com os ferramentais,
o custo do caracol de aço rápido por peça produzida é R$1,09 e menor quando
comparado com o caracol com insertos intercambiáveis de metal duro que é de R$3,27.
Quando é levado em consideração o custo da máquina, como há um ganho
significativo do tempo de ciclo da peça de 3,24 minutos para 1,46 minutos, ocorre uma
inversão e a utilização do caracol com insertos intercambiáveis passa a ser mais
vantajoso com o valor de R$ 6,92 contra R$ 9,19 do caracol de aço rápido.
C usto da máquina po r ho ra (B ) R$/hora
C usto de aquisição do Inserto (C )
Qde de P eças a pro duzir po r M ês (D = A / 12)
N úmero de A restas po r C o njunto (E)
P eças pro duzidas po r A f iação o u po r co njnto de A restas (F )pçs
Quantidade N ecessária de F erramentas po r A no (G=A / F )
P reço de A quisição da F erramenta (H ) R$
P reço do C o rpo da F erramenta ( ( I= H -( E x C )) R$
N úmero de af iaçõ es (J)
C usto da A f iação (K) R$
C usto T o tal co m A fiaçõ es ( L = K x J)
M áxima D epreciação de aco rdo co m a Lei (W) meses
D epreciação anual do C o rpo da ferramenta (M = ( I/ W) x 12)R$
C usto anual co m aquisição de inserto s (N ) R$
C UST O A N UA L C OM F ER R A M EN T A (O = N + M + L) R$
C usto da F erramenta po r peça pro duzida (P = O/ A )R$/peça
T empo de Usinagem da Operação (Q) min
T empo A nual de Usinagem da Operação (R = Q x A ) min
C usto da máquina po r P eça (S = Q x (B / 60)) R$/pç
C UST O A N UA L D A M Á QUIN A (T = S x A ) R$
C usto T o tal po r peça pro duzida ( U = S + P ) R$/pç
C UST O T OT A L A N UA L (V= U x A ) R$
6,92 9,19
INFORMAÇÕES GERAIS
86.673,15 115.052,00
18.279 40.565
12.828,00
8,10
42.760,00 3.200,00
3,65
45.698,00 101.412,00
3.200,00
18
R $ 150,00
R $ 110,00 N ão aplicado
3 18
1.043 1.043
Custo da Ferramenta
Custo Total
Caracol com Inserto
IntercambiávelAço Rápido
13.640,0040.975,15
84 274
3,27 1,09
4.110 720
10.440,00
R $ 150,00
N ão aplicado
580,00
Custo da Máquina
40 N ão aplicado
1,46 3,24
N ão aplicado
52.000,00 3.200,00
28.147,15 N ão aplicado
N ão aplicado
87
Além do custo com máquinas e ferramentas, existem outros pontos positivos a
serem considerados quando se utiliza o caracol com insertos intercambiáveis que são:
Eliminação da necessidade de ter controle e estoque de caracóis reserva
para que seja possível realizar a logística de reafiação. Normalmente as
empresas possuem de 2 a 3 caracóis nesta condição quando utilizam
caracóis inteiriços.
Em caso de colisões ou acidentes que danifiquem os dentes, dependendo
do dano aos dentes, com o caracol com insertos é possível trocar somente
as pastilhas. Já no caso do caracol inteiriço de aço rápido é necessária,
dependendo do caso, a aquisição de um caracol novo.
Outro comparativo que merece destaque é o da vida das ferramentas em número
de peças usinadas, entre duas substituições, seja para troca de pastilha no caso do metal
duro ou para afiação no caso de aço rápido. Para o cortador de metal duro a média foi de
1.138 peças, número 72% maior que a média da ferramenta de aço rápido, que foi de
660 peças. Com isso pode se concluir que utilizando a ferramenta de metal duro será
necessário um número menor de paradas para trocas de ferramentas.
Para facilitar a escolha de qual tipo de ferramenta utilizar, visto que cada
empresa possui um custo da máquina por hora diferente foi elaborado o gráfico da
figura 6.17 que mostra a variação do custo da operação da peça em função do custo da
máquina por hora. É importante notar também que o valor de custo da máquina por hora
de R$73,50 é o ponto de equilíbrio e este valor apresenta um custo total de operação
igual para as duas ferramentas de R$5,06. Em outras palavras pode-se dizer que para
máquinas que possuem o custo por hora maior do que R$73,50 é vantajosa a utilização
do cortador com insertos de metal duro.
Como o custo de fabricação é dependente do tempo, para que a ferramenta de
aço rápido possa ser vantajosa, teria que se ter condições de cortes de usinagem para
que se possa atingir um tempo de fabricação menor ou inferior à 2,33 minutos.
88
Figura 6.17: Custo total da operação em função do custo da máquina por
hora
R$-
R$2,00
R$4,00
R$6,00
R$8,00
R$10,00
R$12,00
R$14,00
R$16,00
Cu
sto
To
tal d
a O
pe
raçã
o
Custo da máquina por hora
Variação do Custo total em função da Operação em função do Custo da Máquina
por hora
Custo total do Caracol com Insertos de Metal Duro
Custo total da Caracol de Aço Rápido
Ponto de equilíbrio:Custo Hora máquina= R$73,50
Custo total da operação= R$ 5,06
89
7 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS
FUTUROS
7.1 Conclusões
Com base nos ensaios realizados e mostrados no capítulo 6, pode se concluir que
tecnicamente é possível a utilização de caracol com insertos intercambiáveis de metal
duro no fresamento de dentes de engrenagens.
Os principais ganhos na utilização do caracol com insertos intercambiáveis de
metal duro estão:
Utilização de velocidades de corte mais altas que resulta em tempos de
ciclo das peças menores.
Vidas de ferramenta maiores que implica em menor tempo de parada de
máquina para troca de ferramentas.
Estes ganhos foram obtidos sem abrir mão da qualidade da peça exigida pelo
projeto do produto.
Economicamente, se for levado em consideração apenas os custos com
ferramentas, a opção mais vantajosa é a utilização do caracol com aço rápido. Porém, se
for verificado o custo total, ou seja, contabilizado também o custo por hora da máquina,
haverá uma inversão e a opção mais vantajosa passa a ser o caracol com insertos
intercambiáveis.
A opção de se utilizar o custo total é aceitável pelas empresas, desde que haja
demanda de peças para se produzir e, assim, preencha-se o tempo disponível da
máquina, de maneira a trazer mais receitas para a companhia. Pode ainda acontecer que
a redução de tempo propicie a redução de turnos de trabalhos e, assim, gerar economia
para a empresa.
No caso da aplicação de caracol com insertos intercambiáveis também é
importante o controle rígido do momento da troca das pastilhas, pois as mesmas
possuem um valor elevado e a troca tem que ser realizada criteriosamente. Sugere-se
que as trocas sejam realizadas em função da qualidade da peça, ou seja, trabalhar com
os insertos até não se atingir mais a qualidade requerida.
90
7.2 Sugestões de trabalhos futuros
Como estudo e trabalho futuros sugere-se:
Devido ao alto custo dos insertos, no futuro é interessante seja realizado
um trabalho de investigação da viabilidade técnica e econômica da
reafiação e cobertura dos insertos para posterior reutilização.
Estudo com os fornecedores de ferramentas para tentar a fabricação de
insertos com duas ou mais arestas de corte para que se reduza o custo por
aresta da ferramenta.
Usinagem das peças com o caracol de insertos de metal duro sem
refrigeração.
Tentar melhorar as propriedades do aço rápido com a adição de alguns
elementos de liga para que seja possível atingir velocidades de corte
equivalentes às utilizadas com metal duro.
Utilização de outros substratos na fabricação das pastilhas de metal para
melhorar a vida das pastilhas.
91
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