influÊncia da geometria da ferramenta de corte na usinagem …
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Departamento de Engenharia Mecânica Trabalho de Conclusão de Curso (TCC)/2021.1
INFLUÊNCIA DA GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE NA
USINAGEM DE AÇO SAE 1020 VISANDO A CONTRIBUIÇÃO PARA
MODELO DE ENSINO A DISTÂNCIA
Aluno: Matheus Moreira Lopes [email protected]; [email protected].
Orientador: Ulisses Borges Souto [email protected].
Resumo. A usinagem é um dos processos de fabricação mecânica mais utilizados na indústria metalúrgica
sendo este o processo mais popular no mundo. A partir da busca incessante pelo aprimoramento dos
processos de usinagem é necessário o entendimento da influência que cada um dos parâmetros envolvidos
exerce sobre o produto final usinado, mais especificamente a geometria da ferramenta de corte. Entendendo
as particularidades dos ângulos que compõem a cunha cortante da ferramenta, pode-se chegar ou refinar
as condições ideais de corte na fabricação de peças que obedeçam, com maior proximidade, as atribuições
especificadas em projeto. O objetivo deste trabalho foi estudar a influência dos ângulos que compõem a
ferramenta de corte, no tipo e forma dos cavacos e na rugosidade média da superfície usinada de um aço
SAE 1020. Para isso, foram selecionadas três ferramentas de corte, com o intuito de usinar três corpos de
prova preparados a partir de um tarugo de aço SAE 1020. Definidas as condições de corte, os corpos de
prova foram processados por torneamento e os cavacos resultantes, bem como a rugosidade média das
superfícies foram coletados e submetidos à avaliação. Ao final das análises concluiu-se que os cavacos
formados foram na grande maioria do tipo contínuo, devido a baixa dureza do aço SAE 1020, na forma
tubular; a redução do ângulo de saída apresentou efeito benéfico na formação dos cavacos, enquanto que o
aumento do ângulo de inclinação apresentou efeito maléfico, forçando o cavaco a se direcionar contra a
superfície do corpo de prova; alterando o ângulo de posição de 60° para 90°, houve aumento da
rugosidade conforme esperado; houve sucesso na coleta de material audiovisual o qual, posteriormente,
será utilizado para a confecção de uma videoaula com o intuito de contribuir com o modelo de ensino atual.
Palavras-chave: Engenharia Mecânica, Torneamento, Geometria da ferramenta de corte, Ângulos da
ferramenta, Cavacos, Rugosidade superficial.
1. INTRODUÇÃO
Para fabricar produtos metálicos, é necessário o emprego de processos que visam a dar forma (geometria,
dimensões, acabamento superficial) ao metal bruto ou liga metálica. Com as especificações (resistência mecânica,
resistência ao desgaste, dureza, densidade, etc.) previamente estabelecidas, conferem-se as propriedades mínimas
exigidas para garantir o desempenho para o qual o produto foi projetado (CASTRO, KIMINAMI E OLIVEIRA, 2018).
A usinagem é o processo mecânico que, mediante remoção de cavaco visa a conferir forma, dimensões e
acabamento a uma peça metálica (NBR 6175/2015). Entende-se por cavaco a porção de material da peça retirada pela
ferramenta de corte, caracterizando-se por apresentar forma irregular (FERRARESI, 2018).
Segundo Trent (1989), é o processo de manufatura mais popular do mundo, pois a maior parte de todos os produtos
industrializados sofre algum processo de usinagem. Apesar de sua popularidade, essa mostra ser bastante imprevisível
devido as dificuldades encontradas ao se determinar as condições ideais de corte, tornando-se um processo complexo.
Porém, uma vez determinadas as condições ideais de corte, a usinagem torna-se capaz de produzir peças dentro das
especificações de forma, tamanho e acabamento superficial de maneira simples.
O torneamento é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies de revolução com o
auxílio de uma ou mais ferramentas monocortantes (SOUZA, 2011).
A geometria da ferramenta de corte como uma variável de processo, exerce o papel mais importante na usinagem,
pois por meio do seu estudo são encontrados parâmetros que definem as melhores e mais eficientes condições de corte,
como força, potência de corte, desgaste da ferramenta, temperatura de corte, acabamento superficial, tipo e forma do
cavaco, entre outros (REIS, 2015). Para viabilizar o estudo da geometria das ferramentas é necessário o controle dos
ângulos que compõem a cunha de corte, os quais exercem uma função específica durante o processo, sendo os mais
influentes na formação de cavacos e no acabamento da superfície, o ângulo de saída, o ângulo de inclinação e o ângulo
de posição. Para isso, definem-se as superfícies e planos nos quais os ângulos serão projetados (MACHADO et al.
2011).
A rugosidade de uma superfície é composta de irregularidades finas ou de erros microgeométricos resultantes da
ação inerente ao processo de corte (MACHADO et al., 2011).
Com o advento da pandemia, devido à expansão da COVID 19, inesperadamente, surgiu a necessidade de reinventar
e mudar os modos de assistir aula e consequentemente, a forma de produzir os trabalhos acadêmicos.
De forma emergencial, foram suspensas as atividades letivas presenciais, por todo o mundo, levando a
obrigatoriedade de educadores e alunos, partirem para a realidade online, transferindo e transpondo metodologias e
práticas pedagógicas típicas dos territórios físicos de aprendizagem, naquilo que tem sido denominado de ensino
remoto.
E na realidade, essa foi uma fase importante de transição em que professores e alunos se transformaram em
youtubers, gravando videoaulas e aprendendo a utilizar sistemas de videoconferência, como o Skype, o Google Hangout
ou o Zoom e plataformas de aprendizagem, como o Moodle, o Microsoft Teams ou o Google Classroom.
No entanto, na maioria dos casos, estas tecnologias foram e estão sendo utilizadas numa perspectiva meramente
instrumental, reduzindo as metodologias e as práticas a um ensino apenas transmissivo. É, pois, urgente e necessário
transitar deste ensino remoto de emergência, importante numa primeira fase, para uma educação digital em rede de
qualidade. Mais do que a transferência de práticas presenciais, urge agora criar modelos de aprendizagem virtuais que
incorporem processos de desconstrução e que promovam ambientes de aprendizagem colaborativos e construtivistas nas
plataformas escolhidas (BARROS, HENRIQUES e MOREIRA, 2020). Diante desse contexto, impossibilitados de prever como e quando as instituições voltarão à normalidade, este
trabalho teve o objetivo de coletar material audiovisual para ser utilizado posteriormente na confecção de uma
videoaula da disciplina Processos de Fabricação Mecânica III, onde o conteúdo abordado é estudar a influência dos
ângulos que compõem a ferramenta de corte no tipo e forma dos cavacos e na rugosidade média da superfície usinada
de um aço SAE 1020.
Para tanto, foram gravados os ensaios de torneamento cilíndrico externo, coletados os cavacos produzidos para
submetê-los a avaliação visual e mensurada a rugosidade média (Ra) das superfícies recém-usinadas. Os vídeos
coletados serão editados na construção da videoaula, a qual será, posteriormente, disponibilizada nas principais
plataformas digitais.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo apresenta a literatura consultada para o embasamento teórico utilizado na construção deste trabalho.
Foram abordados assuntos acerca das modalidades de comunicação no ensino à distância e da usinagem por
torneamento. Também foram apresentadas as definições de cunhas de corte, cavacos e rugosidade superficial, assim
como o que era esperado acerca da variação da geometria da ferramenta de corte na formação de cavacos e na
rugosidade média de uma superfície usinada por torneamento.
2.1 Modalidades de Comunicação no Ensino à Distância
Gonçalves et al. (1998) citam Peters (1973), o qual define a educação ou ensino à distância (EAD), como um
método racional de compartilhar conhecimentos, habilidades e atitudes, por meio da aplicação da divisão do trabalho e
de princípios organizacionais, bem como, pelo uso extensivo de meios de comunicação, especialmente para reproduzir
materiais técnicos de alta qualidade, os quais tornam possível instruir um grande número de estudantes ao mesmo
tempo, enquanto esses materiais durarem.
O autor cita também Ives e Javenpaa (1996), os quais ressaltam que a sobrevivência das universidades requer maior
competência no uso das tecnologias de Ensino a Distância (EAD).
Em geral o EAD tem como objetivo facilitar o acesso ao conteúdo acerca de qualquer curso de diversos níveis
acadêmicos, apresentando a mesma qualidade do ensino presencial (FERNANDES, HENN e KIST, 2020), porém
respeitando a necessidade de distanciamento social imposto pela pandemia do COVID-19.
A partir da natureza da comunicação, as formas de interação que podem ocorrer no EAD, podem ser classificadas
em duas modalidades: a modalidade síncrona e a modalidade assíncrona (GONÇALVES et al., 1998).
Ao contrário da síncrona, na modalidade assíncrona, a interação entre os instrutores e os alunos ocorre de modo
offline, ou seja, não ocorre em tempo real. As principais vantagens dessa modalidade são a sua flexibilidade, e a
permissão de maior espaço para reflexão, pois tanto o instrutor quanto o aluno têm a oportunidade de absorver melhor o
conteúdo proposto.
Videoaulas são aulas gravadas e distribuídas em forma de vídeo (por meio assíncrono). São ferramentas
importantes, pois nelas o espectador visualiza o conteúdo em audiovisual, seja por uma aula de um professor,
depoimento de um profissional ou ainda uma demonstração técnica (FIOCRUZ, 2016).
2.2 Usinagem por Torneamento
Define-se usinagem como o processo mecânico que, mediante remoção de cavaco por determinada ferramenta,
confere a uma peça, forma, dimensões, o acabamento especificado ou ainda uma combinação destes três itens. Quando
este processo empregar abrasivos ligados ou soltos, recebe o nome de usinagem por abrasão (NBR 6175/2015).
Define-se torneamento como o processo mecânico destinado à obtenção de superfícies de revolução com o auxílio
de uma ou mais ferramentas monocortantes. Para tanto, a peça gira em torno do eixo principal de rotação da máquina e
a ferramenta se desloca seguindo uma trajetória coplanar com o referido eixo (NBR 6175/2015).
A máquina-ferrementa utilizada para obtenção de superfícies de revolução é chamada de torno. O processo de
torneamento se dá com a peça em rotação enquanto a ferramenta executa três movimentos principais contra a peça, a
fim de realizar o processo de corte (SILVA, 2010). Os movimentos são: a) o movimento de Corte, realizado entre a
peça e a ferramenta de corte que, na ausência do movimento de avanço simultaneamente, provoca remoção de cavaco
durante uma única rotação, b) o movimento de Avanço (f), quando executado simultaneamente ao movimento de corte,
provoca remoção contínua ou repetida do cavaco durante várias rotações e c) o movimento de Penetração (ap), o qual
pré-determina a espessura da camada de material a ser removida.
Assim como todos os processos de usinagem, o processo de torneamento é baseado na retirada progressiva de
material da superfície transformando este em cavaco como mostra a Figura 1.
Figura 1: Representação esquemática do processo de torneamento.
Fonte: Souza (2011)
2.3 Geometria da Ferramenta de Corte
A geometria da ferramenta de corte, juntamente com os fatores relacionados ao material da peça e a máquina
ferramenta, exercem influência nos processos de usinagem dos metais. Portanto é necessário definir o formato da
ferramenta exercendo controle sobre os ângulos fundamentais, para o alcance do melhor desempenho possível.
Denomina-se cunha cortante (ou gume cortante) a região da ferramenta na qual o cavaco se origina, mediante o
movimento relativo entre a ferramenta e a peça. (FERRARESI, 2018).
Segundo Machado, et al. (2015), para viabilizar o estudo dos ângulos da ferramenta de corte são necessárias
definições como nomear cada região da cunha e os planos nos quais serão medidos os ângulos, conforme mostrado nas
Figuras 2 e 3.
Figura 2: Elementos da Cunha de Corte
Fonte: Machado et al. (2015)
Figura 3: Sistema de referência da ferramenta de corte
Fonte: adaptado de Ferraresi (2018)
De acordo com Machado, et al. (2011), cada um dos ângulos apresentados na Figura 4 possui uma função a
desempenhar durante o processo de usinagem. Por isso, seus valores devem ser levados em consideração durante o
projeto ou a afiação de uma ferramenta de corte.
Os ângulos da cunha de corte que exercem maior influência nos processos de torneamento são:
• Ângulo de Saída (γo) – Medido no plano ortogonal (Figura 4a), é o ângulo formado entre a Superfície de Saída
e o Plano de Referência.
Machado et al., (2011) relatam que o ângulo γo é dependente do material da ferramenta de corte, da velocidade de
avanço e influência na quantidade de calor gerado no processo. Em geral, a usinagem de materiais dúcteis como ligas de
alumínio e de cobre, requer valores altamente positivos de γo, para evitar o crescimento de áreas de adesão do cavaco na
superfície de saída, que resultam na sua quebra.
O autor ainda relata que, quanto maior o valor do ângulo de saída, menores serão o encruamento, o trabalho de
dobramento do material do cavaco, o calor gerado na peça e o acabamento superficial.
Ângulos de saída negativos são muito usados para cortes interrompidos e de materiais de difícil usinabilidade, por
garantir maior resistência da cunha, porém com o inconveniente da necessidade de maior força de corte e maior calor
gerado na ferramenta. Segundo Santos e Costa (2006), o ângulo γo pode variar de -10° a 20°. Já Ferraresi (2018),
recomenda valores de γo entre 12° e 18° para aços comuns de fabricação mecânica. Os autores Gallardo et al. (2007)
obtiveram bons resultados ao usinar latão e bronze com ferramentas HSS (Aço-Rápido) e ângulo de saída igual a 36°.
• Ângulo de Posição (χr) – Medido no plano de Referência (Figura 4b), é formado entre os Planos de Corte
Principal e o Plano de Trabalho. Está diretamente relacionado à resistência da cunha de corte; quanto maior for χr
menor será o Ângulo de Ponta (r) diminuindo a resistência da cunha e a capacidade de dissipação de calor. Além disso,
o ângulo χr influencia no direcionamento de saída do cavaco e contribui com a distribuição das tensões de corte de
modo a estabilizar as vibrações geradas no processo.
Segundo Machado et al. (2015), o ângulo χr geralmente varia de 45° a 95°. Já Reis (2015), recomenda um intervalo
entre 30° a 90°.
• Ângulo de Inclinação (λS) – Medido no plano de corte (Figura 4c), é o ângulo formado entre a Aresta
Principal de Corte e o Plano de Referência e tem a função de direcionar a saída do cavaco e proteger a aresta de corte
contra impactos. O ângulo de inclinação situa-se sempre, de modo que, seu vértice indica a ponta de corte. Segundo
Machado et al. (2011), pode variar entre -11° a 11°. Já Ferraresi (2018), recomenda o intervalo de -4° a 0° para aços
comuns de fabricação mecânica.
Reis (2015) relata em sua pesquisa que o ângulo λS positivo, é indicado para o corte interrompido, ao passo que, λS
nulo é indicado para usinagem contínua de materiais duros. Enquanto λS negativo é indicado para corte de materiais de
baixa dureza.
Figura 4: Ângulos da cunha de corte: a) Vista do Plano Ortogonal; b) Vista do Plano de Referência; c) Vista do
Plano de corte.
Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=H7Dedqf-53g
a) b) c)
Fonte: Damasceno (2010)
2.4 Influência da Geometria da Ferramenta de Corte na Formação de Cavacos
Segundo Ferraresi (2018), entende-se por cavaco a porção de material da peça retirada pela ferramenta de corte,
caracterizando-se por apresentar forma irregular.
Os cavacos são formados pela ação combinada das superfícies de Saída e de Folga da cunha, por meio do
movimento relativo entre a peça e a ferramenta de corte, sob altíssimas velocidades de deformação, seguidas de ruptura
do material da peça (MACHADO et al., 2011; PINTO, 2017).
Para um estudo mais detalhado, divide-se o processo em quatro etapas (FERRARESI, 2018; MACHADO et al.,
2011; PINTO, 2017): primeiramente, devido a penetração da ferramenta na peça, uma pequena porção de material é
recalcada (pressionada) contra a superfície de saída da cunha. Esta etapa é chamada de Recalque Inicial. Em seguida,
ao ser pressionado, o material sofre inicialmente uma deformação elástica seguida de uma deformação plástica, que
eleva sua tensão de cisalhamento até o limite de ruptura sem que haja, com isto, uma perda de coesão, cujo processo é
chamado de Deformação Plástica.
Após a deformação plástica, continuando a penetração da ferramenta na peça, ocorre o Deslizamento do Material,
onde haverá uma ruptura parcial ou completa na região de cisalhamento, formando cavacos contínuos ou descontínuos,
dependendo da ductilidade do material da peça e das condições de usinagem. Finalmente, tem-se a Saída do Cavaco,
escorregando até a superfície de saída da cunha, enquanto uma nova porção de material, imediatamente adjacente à
anterior, está deformando e cisalhando (FERRARESI, 2018; PINTO, 2017).
Dessa forma, o processo de formação de cavacos nas condições normais, é um fenômeno periódico, uma vez que as
etapas de recalque, deformação, deslizamento e saída ocorrem ciclicamente para cada porção de material removido
(MACHADO et al., 2011). A Figura 5 exemplifica, de forma esquemática, o mecanismo de formação de cavacos.
Figura 5: Mecanismo de formação de cavacos.
Fonte: Machado et al. (2015)
Os cavacos podem ser subdivididos em três tipos principais: Cavaco Contínuo, Cavaco de Ruptura ou
Descontínuo e Cavaco Segmentado, conforme mostrado na Figura 6.
Figura 6: Tipos de Cavaco: a) Contínuo; b) Descontínuo e c) Segmentado.
a) b) c)
Fonte: Faculdade de Ciências Aplicadas – UNICAMP
Segundo Diniz, Marcondes e Coppini (1999), o principal fator determinante para o tipo de cavaco é o material da
peça. Em geral, materiais dúcteis formam cavacos contínuos ou parcialmente contínuos, enquanto materiais frágeis
formam cavacos descontínuos.
A Figura 7 mostra uma adaptação da Norma ISO 3685:1993, a qual classifica detalhadamente a forma dos cavacos.
Cavacos contínuos e segmentados podem ser produzidos de qualquer uma das formas apresentadas, dependendo dos
parâmetros de corte. Entretanto, cavacos descontínuos só podem ser classificados quanto à forma das lascas ou dos
pedaços (MACHADO et al. 2011).
Figura 7: Formas dos cavacos
Fonte: adaptado por Machado et al., (2011) de ISO 3685:1993
No que se refere aos parâmetros de corte, em geral, um aumento no ângulo de saída tende a mudar a forma do
cavaco da direita para a esquerda, conforme a Figura 7, ou seja, o processo tende a produzir cavacos em forma de fita.
Os ângulos de inclinação e de posição influenciam no direcionamento de saída do cavaco. O avanço seguido da
profundidade de corte são os parâmetros mais influentes a afetar a forma do cavaco (PINTO, 2017).
2.5 Influência da Geometria da Ferramenta de Corte na Rugosidade Superficial
A rugosidade de uma superfície é composta de irregularidades finas ou de erros microgeométricos resultantes da
ação inerente ao processo de corte (MACHADO et al., 2011).
Figura 8: Superfície real
Fonte: Machado et al. (2011)
Segundo Agostinho, Rodrigues e Lirani (1986), geralmente um processo de torneamento consegue obter
acabamentos superficiais com rugosidade média (Ra) na ordem de 0,8 μm a 6,3 μm, sendo que tolerâncias mais
apertadas são obtidas por meio de operações de acabamento, como a retificação (SOUZA, 2011). Já Benini e Rossi
(2016) e Naitzke et al. (2019), obtiveram valores na ordem de 7,0 μm a 20,0 μm e 6,9 μm a 10 μm, respectivamente, ao
estudarem peças de aço SAE 1020 submetidas a processos de torneamento.
Ao estudar três modelos de pastilhas de metal duro com a mesma geometria da aresta de corte no processo de
torneamento de aço SAE 1045, variando a velocidade de corte, penetração da ferramenta, avanço e principalmente
orientação da pastilha em relação ao suporte, Abrão e Nascimento (2000), observaram melhores desempenhos do
processo de usinagem em relação à rugosidade superficial das pastilhas onde os ângulos de posição eram menores,
sugerindo que a posição da aresta possui influência significativa quanto à distribuição dos esforços e dissipação de
calor, reduzindo a vibração.
De maneira semelhante, Braga et al. (2014), usinaram peças de aço inoxidável UNS S32760 por meio do processo
de torneamento cilíndrico externo, variando apenas o ângulo de posição em 45°, 75° e 95°, onde os menores valores de
Ra foram obtidos utilizando ângulo de posição igual a 75°, contrariando o esperado em termos de modelo de rugosidade.
Além dos ângulos, a rugosidade sofre influência de vários parâmetros de usinagem, incluindo a geometria e o
material da peça, a rigidez da máquina-ferramenta, as condições de corte (velocidade de corte, avanço, penetração), o
material da ferramenta e a presença ou não do raio de ponta (MACHADO et al. 2011).
A rugosidade pode ser avaliada por diversos parâmetros, os quais são classificados em: parâmetros de amplitude,
parâmetros de espaço ou pelo uso combinado dos dois primeiros sendo denominados de parâmetros híbridos. Os
parâmetros de amplitude são determinados pela altura dos picos e profundidade dos vales, sem considerar o
espaçamento entre eles ao longo da superfície. Os parâmetros de espaço são determinados pelo espaçamento entre os
desvios ao longo da superfície (MACHADO et al. 2011).
A Figura 9 representa graficamente o parâmetro Ra (média aritmética da rugosidade superficial). Esse é o mais
utilizado na indústria, uma vez que está disponível nos equipamentos mais simples e é um parâmetro estável.
Entretanto, há casos em que superfícies geometricamente diferentes podem apresentar valores de Ra semelhantes, mas,
desempenhar efeitos diversos quando em operação.
Figura 9: Parâmetros: Desvio aritmético médio ou Rugosidade Média (Ra)
Fonte: Machado et al. (2011)
Os aparelhos empregados na medição da Rugosidade são chamados de Rugosímetros. A medição pode ser feita com
ou sem o contato entre o aparelho e a peça. Em caso de medição por contato, os rugosímetros são classificados como
apalpadores e são mais utilizados na indústria por serem mais versáteis e com custo reduzido.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo foram apresentados os materiais utilizados na realização dos experimentos e a metodologia utilizada
nos processos de torneamento, coleta dos cavacos e medições da rugosidade. Os dados gerados foram coletados e
submetidos a análise.
A Figura 10 apresenta três ferramentas de corte (Bits) de aço rápido HSS (High Steel Speed), selecionadas para
realização dos experimentos. Sendo as ferramentas 1 e 2 classificadas como HSS 3/8” x 3/8” x 4” e 3, como HSS 3/8” x
3/8” x 3”.
Figura 10: Ferramentas de corte selecionadas para procedimento experimental: a) Cunha 1; b) Cunha 2; c) Cunha 3;
d) Cunha 4
a) b) c) d)
Fonte: O Autor
As ferramentas selecionadas já possuíam afiação aparentemente feita de forma manual e desconhecida. Para
adequação aos padrões necessários ao experimento, foi realizada afiação de cada cunha utilizando-se uma afiadora
CLARK, modelo AF-1 com 370 W e 3450 rpm.
Os corpos de prova foram obtidos a partir de um tarugo de aço SAE 1020 com 1,5 pol (38,10 mm) de diâmetro e
300 mm de comprimento. Houve necessidade de efetuar uma limpeza do tarugo a fim de eliminar a oxidação da
superfície, reduzindo o diâmetro para 37,25 mm. A partir deste, foram obtidos três corpos de prova com 85 mm de
comprimento, separados por três canais de 3,2 mm cada, conforme ilustrado na Fig. 11.
Figura 11: Eixo de ensaio contendo os corpos de prova X (direita); Y (centro) e Z (esquerda)
Fonte: O Autor
O procedimento experimental foi realizado em um torno mecânico CLARK, modelo BV20B – Lx550 com 559,3 W
e 1.710 rpmmáx. Os dados referentes à rugosidade média (Ra), foram obtidos utilizando-se um rugosímetro de contato do
tipo apalpador TAYLOR HOBSON, modelo Surtronic 3 com filtro CUT-OFF calibrado para 2,5mm (NBR 6405/1988).
O objetivo do trabalho foi estudar, individualmente, a influência da variação dos ângulos de Saída, de Inclinação e
de Posição na formação de cavacos e na rugosidade média (Ra) da superfície torneada, mantendo fixos, velocidade de
corte (VC), avanço (f), profundidade (ap) e os demais ângulos.
Conforme apresentado na Tabela 1, a cunha 1 foi afiada seguindo as recomendações sugeridas pela literatura para
usinagem do aço SAE 1020. Mantendo os demais ângulos iguais aos da cunha 1, a cunha 2 foi afiada com o ângulo de
saída igual a -2°. A cunha 3 foi afiada com o ângulo de inclinação igual a +4°. Devido às limitações encontradas em
afiar a cunha 4 com um ângulo de posição elevado, a cunha 4, foi afiada com o ângulo igual a 60°, assim como a cunha
1. Entretanto, o suporte da ferramenta no torno foi rotacionado para simular o ângulo de 90°. As cunhas 1 e 2 foram
aplicadas em cada uma das duas pontas da mesma ferramenta de corte.
Tabela 1: Afiação das cunhas de corte
Cunha Ângulo de saída γo
(Graus) Ângulo de inclinação λS
(Graus) Ângulo de posição χr
(Graus) Ângulo de folga αo
(Graus)
1 15 -4 60 5
2 -2 -4 60 5
3 15 4 60 5
4 15 -4 90 5
Foi adotado para a rotação da máquina o valor de 140 rpm respeitando as recomendações feitas por Silva (2010) de
25 m/min para velocidade tangencial de corte, em operações de desbaste por torneamento, utilizando ferramenta de aço
rápido. Velocidades excessivas causam superaquecimento da ponta de corte fazendo com que a ferramenta perca a sua
afiação com maior rapidez.
Os tornos BV20 disponíveis no Laboratório de Manufatura da UFRN são pré-configurados para aplicar avanço de
0,1 mm/volta. Tal configuração foi mantida durante todo o procedimento experimental. Devido a máquina-ferramenta
ser de pequeno porte e para uso acadêmico (550 mm entre pontas – disponibilizado pelo fabricante), foi adotado, em
todo o procedimento experimental, penetração de 5,0 mm em cada passagem, na tentativa de reduzir o efeito da
vibração do conjunto MPF (máquina, ferramenta e peça).
Especificadas as condições de corte e definidas as geometrias das cunhas, foram realizados quatro (4) ensaios de
usinagem por torneamento cilíndrico externo nas superfícies dos corpos de prova. O corpo de prova X foi usinado pela
cunha 1, seguida imediatamente da cunha 2. O corpo Y foi usinado pela cunha 3 e o Z pela cunha 4. Nos intervalos
entre os ensaios, efetuou-se a limpeza da máquina e os cavacos formados foram coletados e fotografados para análise.
Os ensaios realizados foram gravados em forma de vídeo e reservados para serem editados posteriormente ao
trabalho.
Ao final de cada ensaio de usinagem, foram realizadas as medições da rugosidade média (Ra). Cada corpo de prova
foi dividido em três (3) seções de medição. Como mostrado na Figura 12a a primeira foi posicionada a 0°, em relação
ao eixo de rotação. Girando o corpo de prova 120°, foi posicionada a segunda seção, por fim a terceira seção à 240°.
Quando o filtro CUT-OFF é calibrado em 2,5mm, a ponta do apalpador desliza 12,5 mm sobre a superfície da peça.
Então, como mostrado na Figura 12b, a partir de cada seção, foram coletados três (3) valores de rugosidade.
Posicionando a ponta do apalpador a 15mm da face esquerda do corpo de prova, foi coletado o valor de Ra1, a 44,75
mm, foi coletado o valor de Ra2 e a 82,5mm o valor de Ra3. O mesmo procedimento foi repetido para a segunda e
terceira seção, coletando os valores de Ra4 a Ra9.
Não foram encontradas Normas ou referências acerca da disposição dos pontos onde o equipamento deve tocar a
superfície em avaliação, por isso o critério adotado no experimento foi pensado no sentido de abranger a maior área da
superfície dos corpos de prova de modo a não ser necessária a coleta demasiada de valores, devido a limitações quanto à
disponibilidade do equipamento e o tempo de uso do laboratório.
Figura 12: Disposição das medições da Rugosidade média (Ra): a) disposição longitudinal; b) disposição rotacional
a) b)
Fonte: O Autor
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste capítulo foram apresentadas as imagens dos cavacos e os valores da rugosidade superficial média gerados por
cada um dos ensaios de usinagem por torneamento. Também foram apresentadas as discussões acerca dos resultados.
4.1 Formação de Cavacos
A Figura 13 apresenta o aspecto dos cavacos formados no ensaio de usinagem 1. Verifica-se que o tipo
predominante de cavaco em todos os ensaios, é o contínuo e as formas predominantes observadas, no ensaio 1, foram as
tubulares longa e curta.
Figura 13: Cavacos resultantes do ensaio de usinagem 1
Fonte: O Autor
Isso pode ser explicado devido à ausência do chamado “quebra-cavacos” nas cunhas de corte usadas nos ensaios
(EMERICK et al. 2018), uma vez que, são uma curvatura acentuada na superfície de saída, fazendo com que os cavacos
se rompam por flexão (MACHADO et al. 2011).
A Figura 14 apresenta o aspecto dos cavacos formados no ensaio de usinagem 2. Verifica-se que a forma
predominante observada foi a tubular curta.
Figura 14: Cavacos resultantes do ensaio de usinagem 2
Fonte: O Autor
É evidente o efeito da diminuição do ângulo de saída γo no ensaio 2. Pode-se observar que o raio de curvatura do
cavaco é menor para -2°. Essa condição ocorre, pois o ângulo de cisalhamento (zona de cisalhamento primária),
observado na Fig. 5, é menor do que para γo = 15°. Também faz com que os esforços de dobramento do cavaco sejam
maiores deixando o material mais frágil devido ao encruamento, reduzindo o seu comprimento por quebra. Cavacos
muito longos são indesejáveis, pois promovem situações de perigo ao operador e danos à máquina-ferramenta
(MACHADO et al. 2011).
A Figura 15 apresenta o aspecto dos cavacos formados no ensaio de usinagem 3. Verifica-se que a forma
predominante observada foi a tubular emaranhado.
Figura 15: Cavacos resultantes do ensaio de usinagem 3
Fonte: O Autor
Observa-se uma mudança drástica na forma do cavaco (tubular longo para tubular emaranhado), entre os ensaios 1
e 3, comprovando o efeito do ângulo de inclinação no direcionamento de saída do cavaco, neste caso, contrariando as
recomendações de Ferraresi (2018), aumentar o valor de λS para valores positivos na usinagem de um material dúctil,
trouxe um efeito maléfico, pois forçou o cavaco a se direcionar contra a superfície da peça acumulando-se na forma
emaranhada sobre a superfície de saída da ferramenta, logo rompendo e caindo.
A Figura 16 apresenta o aspecto dos cavacos formados no ensaio de usinagem 3. Apresentou predominantemente
cavacos na forma de fita emaranhado e espiral plano.
Figura 16: Cavacos resultantes do ensaio de usinagem 4
Fonte: O Autor
Como diz Pinto (2017), o aumento da velocidade de corte, do avanço da ferramenta e do ângulo de saída, tende a
formar cavacos contínuos na forma de fita. Isso não explica a situação observada na Figura 16, uma vez que o avanço e
a penetração da ferramenta foram os mesmos em todos os ensaios e o ângulo de saída foi mantido em 15°. Uma
provável causa para o aparecimento de cavacos na forma de fita no ensaio 3b, foi a forma como o ângulo de posição foi
imposto ao processo. Girar o porta-ferramenta da máquina no intuito de aplicar um ângulo de posição igual a 90°, fez
com que a disposição dos demais ângulos também se modificasse, facilitando o escorregamento do cavaco e alterando o
seu direcionamento. Em teoria, o ângulo de posição tem maior influência em relação à distribuição das tensões impostas
à cunha no processo de corte.
Pôde-se comprovar, em todos os ensaios, mais evidentemente nos ensaios 1 e 2, Figuras 13 e 14 respectivamente,
que o torneamento de materiais de baixa dureza como o aço SAE 1020, promoveu a formação de cavacos contínuos.
4.2 Rugosidade Superficial
Os valores obtidos da rugosidade média Ra foram coletados e apresentados na Tabela 2 a seguir.
Tabela 2: Resultados obtidos das medias aritméticas da rugosidade superficial.
ENSAIO 0° 120° 240°
Ra1 (μm) Ra2 (μm) Ra3 (μm) Ra4 (μm) Ra5 (μm) Ra6 (μm) Ra7 (μm) Ra8 (μm) Ra9 (μm)
1 8,99 8,15 8,18 9,49 11,60 9,79 9,76 8,98 8,99
2 11,80 11,90 8,00 9,21 8,60 7,35 9,69 8,64 8,55
3 8,79 8,58 10,30 10,00 10,20 10,80 9,00 8,72 9,65
4 12,50 11,20 12,90 10,40 10,10 11,30 9,90 12,10 12,80
A Figura 17 mostra a variabilidade e a tendência central (mediana) dos valores de Ra de acordo com as condições
estipuladas.
Figura 17: Gráfico Boxplot dos valores da Rugosidade (Ra): C1 = cunha 1; C2= cunha 2; C3 = cunha 3;
C4= cunha 4
Fonte: O Autor
Pode-se notar que a condição C1 apresentou a maior variabilidade. A condição C4 apresentou os maiores valores de
rugosidade, também com grande intervalo de variabilidade.
Da condição C2, pode-se observar que, em certos pontos, a rugosidade superficial sofreu um aumento de
aproximadamente 2 μm. Isso pode ser explicado pela diminuição do ângulo de saída, que neste caso para um valor
negativo (-2°), aumenta o trabalho de dobramento do cavaco. Sabe-se que a rugosidade sofre influência de vários
parâmetros de usinagem, dentre eles as forças de corte. Quanto menores os esforços gerados por flexões durante a
usinagem, melhor será o acabamento superficial (MACHADO et al. 2011). Entretanto, uma vez que a maior parte dos
resultados de C2 estão inclusos em um intervalo de 8 μm a 10 μm, assim como C1, não é possível afirmar que,
considerando as condições de corte estipuladas, a diminuição do ângulo de saída influenciou na rugosidade.
A condição C3 apresenta o comportamento do ângulo de inclinação λS igual a 4°. Assim como na condição C2, a
maior parte dos resultados está incluída no intervalo de 8 μm a 10 μm. Sendo assim, o aumento do ângulo de inclinação,
para um valor positivo, fora do recomendado (-4° a 0°), considerando as condições de corte estipuladas, apresentou
resultados inconclusivos. Em teoria, além de controlar o direcionamento de saída do cavaco, o ângulo de inclinação tem
a função de proteger a cunha contra impactos e atenuar vibrações (REIS, 2015).
Da condição C4, pôde-se observar que, como esperado, o aumento do ângulo de posição para 90° se mostrou
prejudicial ao acabamento da superfície do corpo de prova. Os valores de Ra se apresentam dispostos em um intervalo
de 10 μm a 13 μm. Além disso, pode-se observar um aumento de mais de 2 μm da tendência central (mediana) dos
resultados, em relação a C1. Valores muito elevados de χr tendem a aumentar os níveis de vibração do conjunto MPF,
devido à distribuição das tensões se alterarem (MACHADO et al. 2011).
A baixa rigidez da máquina-ferramenta durante o processo de usinagem pode causar marcas na peça trabalhada,
afetando a sua qualidade (QUEIROZ, 2007). Máquinas-ferramentas mais antigas ou que não passam por um controle de
manutenção minimamente rigoroso, tendem a apresentar folgas mais elevadas promovendo a vibração do conjunto MPF
durante o corte.
Outra afirmação na qual se encaixa esse fenômeno é a maneira como o ângulo de posição foi imposto ao processo.
Assim como discutido para os cavacos, girar o porta-ferramenta da máquina no intuito de aplicar um ângulo de posição
igual a 90°, fez com que a disposição dos demais ângulos também fosse modificada. Tal condição pode ter
proporcionado o aumento do chamado fluxo lateral causado pela relativa aproximação do ângulo de saída secundário à
superfície usinada, promovendo deformação plástica de partes da superfície, não resultando em cavaco (MACHADO et
al. 2011).
Segundo Agostinho, Rodrigues e Lirani (1986), em projetos, a rugosidade superficial média para assentos de
rolamentos, eixos para engrenagens, superfícies de desbaste, entre outras aplicações nas quais os eixos cilíndricos são
normalmente destinados, deve ser especificada dento do intervalo de 1,5 μm a 4 μm. Como podem ser visualizados na
Fig. 17, os resultados obtidos em todos os ensaios, são maiores do que o intervalo recomendado, indicando que a
ausência do raio de ponta da cunha é prejudicial ao acabamento, tendo em vista que o raio de ponta de uma ferramenta
de corte deve ser no mínimo igual ao dobro do valor do avanço (MACHADO et al. 2011).
Durante as filmagens dos ensaios de usinagem, havia bastante ruído oriundo do funcionamento do maquinário
presente no laboratório de manufatura, sendo necessário submeter os vídeos à edição antes da construção da videoaula,
a qual será, posteriormente, disponibilizada nas principais plataformas digitais.
5. CONCLUSÕES
Definidos os ângulos e os parâmetros de corte, foram realizados os ensaios e em seguida a coleta dos dados. Em
paralelo, foi coletado material audiovisual dos procedimentos. Os resultados do experimento foram analisados e
chegou-se à conclusão que:
• Conforme esperado, a baixa dureza do material usinado (SAE 1020) promoveu a formação de cavacos
contínuos e a ausência de quebra-cavacos na superfície de saída, facilitou a formação de cavacos longos.
• O ângulo de saída negativo foi benéfico para redução do comprimento do cavaco e o ângulo de inclinação
positivo é indesejável para a usinagem do aço 1020 nas especificações de corte apresentadas, uma vez que, o cavaco foi
forçado a se direcionar contra a peça.
• As variações dos ângulos de saída e inclinação não apresentaram os resultados esperados em teoria quanto à
rugosidade superficial, uma vez que a variação dos resultados foi insignificante ou inexistente.
• Aumentar o ângulo de posição de 60° para 90° elevou a rugosidade conforme esperado, entretanto serão
necessários testes posteriores, aplicando o ângulo de posição de 90° à ferramenta, para confirmar a confiabilidade dos
resultados.
• A ausência do raio de ponta resultou em uma rugosidade superficial acima dos limites recomendados para as
aplicações típicas de eixos cilíndricos. Sendo necessários processos de acabamento superficial posterior, o que promove
o aumento dos custos de produção.
• Houve sucesso na coleta de material audiovisual o qual, posteriormente, será utilizado para a confecção de uma
videoaula com o intuito de contribuir com o modelo de ensino atual.
6. REFERÊNCIAS
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA
COORDENAÇÃO DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Natal, 17 de setembro de 2021. Ao(s) décimo sétimo dia(s) do mês de setembro do ano de dois mil e vinte e um, às nove horas e 30 minutos, por videoconferência, instalou-se a banca examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso do(a) aluno(a) MATHEUS MOREIRA LOPES, matrícula 20180155213, do curso de Engenharia Mecânica. A banca examinadora foi composta pelos seguintes membros: ULISSES BORGES SOUTO, orientador; EVANS PAIVA DA COSTA FERREIRA, examinador interno; MÁRCIO VALÉRIO DE ARAÚJO, examinador interno. Deu-se início à abertura dos trabalhos pelo(a) ULISSES BORGES SOUTO, que após apresentar os membros da banca examinadora, solicitou a (o) candidato (a) que iniciasse a apresentação do trabalho de conclusão de curso, intitulado “INFLUÊNCIA DA GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE NA USINAGEM DO AÇO SAE1020 VISANDO CONTRIBUIÇÃO PARA O MODELO DE ENSINO À DISTÂNCIA”, marcando um tempo de trinta minutos para a apresentação. Concluída a exposição, ULISSES BORGES SOUTO, orientador, passou a palavra aos examinadores para arguirem o(a) candidato(a); após o que fez suas considerações sobre o trabalho em julgamento; tendo sido APROVADO, o(a) candidato(a), conforme as normas vigentes na Universidade Federal do Rio Grande do Norte. A versão final do trabalho deverá ser entregue à Coordenação do Curso de Engenharia Mecânica, no prazo de 4 dias; contendo as modificações sugeridas pela banca examinadora e constante na folha de correção anexa. Conforme o que rege o Projeto Político Pedagógico do Curso de Engenharia Mecânica da UFRN, o(a) candidato(a) não será aprovado(a) se não cumprir as exigências acima.
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ULISSES BORGES SOUTO Orientador
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EVANS PAIVA DA COSTA FERREIRA Examinador interno
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MÁRCIO VALÉRIO DE ARAÚJO Examinador interno
Lopes, Matheus Moreira. Influência da geometria da ferramenta de corte na usinagem deaço SAE 1020 visando a contribuição para modelo de ensino adistância / Matheus Moreira Lopes. - 2021. 15 f.: il.
Artigo científico (graduação) - Universidade Federal do RioGrande do Norte, Centro de Tecnologia, Coordenação do Curso deEngenharia Mecânica, Natal, RN, 2021. Orientador: Prof. Dr. Ulisses Borges Souto.
1. Engenharia mecânica - TCC. 2. Torneamento - TCC. 3.Geometria da ferramenta de corte - TCC. 4. Ângulos da ferramenta- TCC. 5. Cavacos - TCC. 6. Rugosidade superficial - TCC. I.Souto, Ulisses Borges. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 621
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRNSistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Elaborado por FERNANDA DE MEDEIROS FERREIRA AQUINO - CRB-15/301