manufatura de molde cúbico metálico para ensaio de resistência a compressão em ... · 2021. 5....
TRANSCRIPT
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Manufatura de molde cúbico metálico para ensaio de
resistência a compressão em pastas de cimento para
poços de petróleo
FABRÍCIO PEREIRA FEITOZA DA SILVA
NATAL- RN, 2021
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Manufatura de molde cúbico metálico para ensaio de
resistência a compressão em pastas de cimento para
poços de petróleo
FABRÍCIO PEREIRA FEITOZA DA SILVA
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao curso de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal do
Rio Grande do Norte como parte dos
requisitos para a obtenção do título de
Engenheiro Mecânico, orientado pelo
Prof. Dr. Ulisses Borges Souto.
NATAL - RN
2021
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Manufatura de molde cúbico metálico para ensaio de
resistência a compressão em pastas de cimento para
poços de petróleo
FABRÍCIO PEREIRA FEITOZA DA SILVA
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso
Prof. Dr. Ulisses Borges Souto ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador
Prof. Dr. Evans Paiva da Costa Ferreira ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
Prof. Dr. Júlio César de Oliveira Freitas ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
NATAL, 16 de abril de 2021.
i
Dedicatória
Dedico este trabalho aos meus pais, familiares e amigos. Dedico, também, à
força divina que rege minha fé para ir em busca de meus anseios e objetivos.
ii
Agradecimentos
À Deus que me conduziu e iluminou nessa trajetória.
Ao professor Dr. Ulisses Borges Souto, pela orientação, suporte acadêmico
e por acreditar em meu potencial, contribuindo com que esse projeto se
concretizasse.
Ao professor Dr. Júlio Cezar de Oliveira Freitas Coordenador do
Labcim/UFRN, por todo companheirismo e suporte ao longo dessa jornada.
Aos colegas e amigos do Laboratório de cimentos–Labcim/UFRN,
especialmente aqueles que contribuíram com comentários construtivos, e com
suporte técnico em muitas análises/ensaios experimentais.
À empresa GSM – Grupo de Serviços e Manutenção Hidráulico / Industrial /
Residencial, que contribuiu com todo o processo de fabricação mecânica do molde.
iii
Silva, F. P. F. Manufatura de molde cúbico metálico para ensaio de resistência a
compressão em pastas de cimento para poços de petróleo. 2021. 68 p. Trabalho de
Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio
Grande do Norte, Natal-RN, 2021.
Resumo
Os estudos das técnicas de usinagem são largamente utilizados na indústria
metal mecânica, envolvendo superfícies complexas e diferentes geometrias. Desde então,
a evolução na fabricação de ferramentas e desenvolvimento de máquinas especiais,
possibilitou manufaturar moldes e matrizes com maior precisão e heterogeneidade. No
que se refere à ferramenta de corte, são mais interessantes as que permitem maiores
velocidades de corte, maiores vidas úteis, ou que substituam duas ou mais ferramentas.
Diante das dificuldades da não existência de um fornecedor certificado nacional, e os altos
custos de importação, surgiu a necessidade de manufaturar um lote de moldes cúbicos de
metal conforme as exigências da norma NBR 9831:2020. O presente trabalho, tem como
objetivo demonstrar os principais parâmetros utilizados na usinagem do molde cúbico de
aço. Dentro deste contexto, o trabalho está dividido em algumas etapas, como,
especificação dos materiais, manufatura dos componentes, modelagem geométrica, e
análises dos resultados. O aço inoxidável austenítico AISI 304 é utilizado para confecção
do molde cúbico, devido à alta resistência a corrosão. A manufatura dos componentes é
realizada através de diversos processos de fabricação mecânica, tendo como principal, o
fresamento, um processo bastante empregado em superfícies planas. Na modelagem é
utilizado um software de projeto de engenharia assistido por computador, CAD (computer-
aided design). Os resultados mostraram-se bastante satisfatórios, pois as dimensões
finais atenderam as exigências técnicas da norma. Ao final, conclui-se que os moldes
fabricados estão aptos a produzir cubos de pasta de cimento para ensaios de resistência
a compressão.
Palavras-chave: Usinagem, moldes e matrizes, fresamento, Aço inoxidável.
iv
Silva, F. P. F Manufacture of metallic cubic mold for testing compressive strength in
cement slurry for oil wells. 2021. 68 p. Conclusion work project (Graduate in Mechanical
Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2021.
Abstract
The studies of machining techniques are widely used in the metalworking
industry, involving complex surfaces and different geometries. Since then, the
evolution in the manufacture of tools and the development of special machines has
made it possible to manufacture molds and dies with greater precision and
heterogeneity. As far as the cutting tool is concerned, the ones that allow higher
cutting speeds, longer service lives, or that replace two or more tools are more
interesting. Faced with the difficulties of not having a national certified supplier, and
the high import costs, the need arose to manufacture a batch of cubic metal molds
in accordance with the requirements of the NBR 9831: 2020 standard. The present
work aims to demonstrate the main parameters used in the machining of the steel
cubic mold. Within this context, the work is divided into some stages, such as,
specification of materials, manufacture of components, geometric modeling, and
analysis of results. AISI 304 austenitic stainless steel is used to make the cubic
mold, due to its high resistance to corrosion. The manufacture of components is
carried out through various mechanical manufacturing processes, with milling as
the main one, a process widely used on flat surfaces. The modeling uses
computer-aided engineering design software, CAD (computer-aided design). The
results proved to be quite satisfactory, as the final dimensions met the technical
requirements of the standard. At the end, it is concluded that the molds
manufactured are able to produce cement slurry cubes for compressive strength
tests.
Keywords: Machining, molds and dies, milling, Stainless steel.
v
Lista de Ilustrações
Figura 2.1 – Gráfico ilustrando a passividade dos aços-cromo expostos durante 10
anos a uma atmosfera industrial 4
Figura 2.2 – Direções do movimento de corte 8
Figura 2.3 – Percurso de corte 9
Figura 2.4 – Dois tipos básicos de fresamento 11
Figura 2.5 – Fresamento discordante 12
Figura 2.6 – Fresamento concordante 13
Figura 2.7 – Tipos de geometria das fresas 14
Figura 2.8 – Classificação quanto à estrutura e forma geométrica 15
Figura 2.9 – Variação cíclica da temperatura de corte 17
Figura 2.10 – Fatura na aresta de corte 18
Figura 2.11 – Diagrama com os principais mecanismos de desgaste 19
Figura 2.12 – Superfície teórica fresada por fresamento tangencial 21
Figura 2.13 – Representação de uma broca helicoidal 23
Figura 2.14 – Geometria da cunha de uma broca helicoidal 25
Figura 2.15 – Cinemática do processo de rosquemento com machos rígidos 26
Figura 3.1 – Fluxograma descrevendo todas as etapas do projeto 28
Figura 3.2 – Chapa de aço inoxidável 5/16” 30
Figura 3.3 – Parafusos utilizados para unir as partes do molde 31
Figura 3.4 – Conjunto montagem 33
Figura 3.5 – Vista explodida da montagem 34
vi
Figura 3.6 – Furadeira fresadora combinada 36
Figura 3.7 – Fresa similar à que foi utilizada na fabricação do molde 37
Figura 3.8 – Fresa utilizada no faceamento do molde 37
Figura 3.9 – Conjunto de macho e vira macho 39
Figura 4.1 – Conjunto molde após usinagem 40
Figura 4.2 – Ensaio de estanqueidade no molde cúbico 43
Figura 4.3 – Molde preenchido e corpo de prova após desmolde 44
vii
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 – Propriedades química do aço inoxidável AISI 304 29
Tabela 3.2 – Especificações do parafuso Allen de cabeça cilíndrica sextavado
interno 31
Tabela 3.3 – Especificações da barra roscada 5/16” 32
Tabela 3.4 – Porca sextavada 5/16” 32
Tabela 4.1 – Variações permissíveis para os moldes cúbicos de 50 mm 41
Tabela 4.2 – Dimensões do molde cúbico após manufatura 42
Tabela 4.3 – Dimensões dos corpos de prova 44
viii
Lista de abreviaturas e siglas
ABNT – Associação brasileira de normas técnicas
CAD - computer-aided design
d – diâmetro da peça ou da ferramenta [mm]
f – Avanço [mm/ver]
n – Número de rotação por minuto [rpm]
Vc – Velocidade de corte [m/min]
Ve – Velocidade efetiva [m/min]
Vf – Velocidade de avanço [mm/min]
ix
Sumário
Dedicatória ...................................................................................................... i
Agradecimentos .............................................................................................. ii
Resumo ......................................................................................................... iii
Abstract ......................................................................................................... iv
Lista de Ilustrações ......................................................................................... v
Lista de Tabelas ........................................................................................... vii
Lista de abreviaturas e siglas .......................................................................viii
Sumário ......................................................................................................... ix
1 Introdução .................................................................................................... 1
1.1 Objetivos ............................................................................................... 3
2 Revisão Bibliográfica ................................................................................... 4
2.1 Introdução ............................................................................................. 4
2.2 Aço Inoxidável ....................................................................................... 4
2.2.1 Classificação dos aços inoxidáveis ................................................ 5
2.2.2 Usinabilidade dos aços inoxidáveis ................................................ 6
2.3 Grandeza física no processo de corte ................................................... 7
2.3.1 Movimentos .................................................................................... 7
2.3.2 Direção dos movimentos ................................................................ 8
2.3.3 Percurso da ferramenta na peça .................................................... 9
2.3.4 Velocidades no processo.............................................................. 10
2.4 Fresamento ......................................................................................... 11
2.4.1 Fresamento discordante ............................................................... 13
2.4.2 Fresamento concordante .............................................................. 14
2.4.3 Geometria das fresas ................................................................... 15
x
2.5 Deterioração da ferramenta no fresamento ........................................ 17
2.5.1 Mecanismo de degaste................................................................. 20
2.6 Acabamento da região fresada ........................................................... 21
2.7 Processo de furação ........................................................................... 22
2.7.1 Brocas helicoidais ......................................................................... 24
2.8 Usinagem de rosca interna ................................................................. 26
2.9 Molde .................................................................................................. 28
3 Metodologia ............................................................................................... 29
3.1 Materiais ............................................................................................. 30
3.1.1 Especificação do aço .................................................................... 30
3.1.2 Especificação dos parafusos ........................................................ 31
3.2 Métodos .............................................................................................. 34
3.2.1 Projeto .......................................................................................... 34
3.3 Máquinas-Ferramenta utilizado na manufatura ................................... 36
3.3.1 Equipamento de corte................................................................... 36
3.3.2 Fresadora e fresa ......................................................................... 36
3.3.3 Sistema de furação e broca .......................................................... 39
3.3.4 Macho de roscar ........................................................................... 40
4 Resultados e Discussões .......................................................................... 41
4.1 Usinagem ............................................................................................ 41
4.2 Teste de estanqueidade ...................................................................... 43
4.3 Corpos de prova .................................................................................. 44
5 Conclusões ................................................................................................ 47
6 Referências ............................................................................................... 48
7 Anexos ....................................................................................................... 52
1
1 Introdução
A manufatura constitui um papel importante em uma nação industrializada
impactando diretamente na economia. Durante os últimos anos novas tecnologias de
fabricação, sistemas automatizados e inúmeras inovações de sistema foram
implementados para melhorar a eficiência da máquina e do operador e aumentar a
produtividade para reduzir o custo de fabricação.
O processo de usinagem possibilita atingir alguns objetivos, como,
acabamento de superfícies de peças fundidas ou conformadas mecanicamente,
conseguindo obter-se melhor aspecto superficial e dimensões mais precisas, de
acordo com as especificações de fabricação e com o uso deste. Nas operações de
usinagem, uma porção do material das peças é retirada pela ação de uma
ferramenta chamada ferramenta de corte, produzindo o cavaco que é caracterizado
por uma forma geométrica irregular (CHIAVERINI, 1986).
São numerosos os fatores que tem influência sobre a usinabilidade de um
material. Por exemplo: as condições de corte, a geometria da ferramenta, as
propriedades mecânicas, a microestrutura e as propriedades físico-químicas da peça
e da ferramenta (GOMES, 1996).
O processo de fresamento é bastante empregado, principalmente em
superfícies planas, de maneira precisa e eficaz. As condições de usinagem
dependem de ferramenta de corte, máquina ferramenta, fluido de corte, e
parâmetros de corte. Recomendações de fabricantes somente seriam usadas como
um guia, desde que melhores condições possam ser encontradas para outras
ferramentas e parâmetros de corte (RICHETTI, 2004).
Os avanços tecnológicos nas áreas de ferramentas e equipamentos tornam
o fresamento cada vez mais abrangente e competitivo, atingindo níveis de
tolerâncias dimensionais cada vez mais exigentes. Além disso, os excelentes níveis
de acabamento e a obtenção de geometrias complexas possibilitam a constante
ampliação de sua aplicação na manufatura (DEWES et al., 1999).
Na área da fabricação de moldes e matrizes, o processo de fresamento
difundiu-se, também pela redução dos tempos de usinagem, mas principalmente
2
porque possibilitou o uso de ferramentas de diâmetros pequenos e
consequentemente a obtenção de geometrias mais próximas da geometria final da
peça. Isto possibilita diminuir o tempo de polimento e ajustagem final.
Normalmente, os moldes e matrizes são compostos por peças com
geometrias complexas confeccionadas em materiais de elevada dureza, o que torna
a atividade de usinagem mais difícil. Apesar dos moldes e matrizes representarem
um pequeno investimento comparado a todo programa de produção, seu projeto e
manufatura representam um aspecto fundamental no tempo total de
desenvolvimento. Outro fator importante é que, em determinados processos, a
qualidade dos moldes e matrizes implica diretamente na qualidade das peças
produzidas (OLIVEIRA, 2007).
A cimentação de poços de petróleo consiste em deslocar uma pasta de
cimento no interior do poço com objetivo de isolar os diferentes intervalos
atravessados durante o processo de perfuração. Quando posicionado
adequadamente, cimento promove a estabilidade mecânica e o selo hidráulico do
poço, garantindo uma produção de petróleo ambientalmente segura. Uma das
propriedades mais importantes de um sistema de pasta de cimento para aplicação
em poços petrolíferos é sua resistência à compressão.
Para a determinação de resistência a compressão em pastas de cimento
para poços de petróleo, são utilizados moldes cúbico de 50mm (~2pol). Este método
de teste fornece um meio de determinar as propriedades mecânicas, e os resultados
podem ser usados para determinar a conformidade com as especificações.
Como consequência da ausência de um fornecedor certificado nacional, e os
altos custos de importação, surgiu a necessidade de manufaturar um lote de moldes
cúbicos de metal conforme as exigências da norma NBR 9831:2020.
3
1.1 Objetivos
O objetivo geral deste presente trabalho, é desenvolver um projeto com as
principais análises de engenharia e manufatura na confecção de um molde cúbico
constituído de metal duro, não atacável pelo cimento, e tendo as faces laterais
suficientemente rígidas para evitar sua deformação. Nesse sentido, foram adotados
os seguintes objetivos específicos:
Atender as especificações exigidas pela norma, determinando uma menor
precisão possível dentro do qual a peça em questão exerça sua função
corretamente.
Apresentar propriedades de tolerância geométricas admissíveis.
Produzir corpos de prova de cimento com as dimensões especificadas.
4
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Introdução
A revisão bibliográfica traz uma breve apresentação dos assuntos que estão
direto ou indiretamente relacionadas ao tema desta pesquisa. Portanto, inicia-se
abordando o tipo de aço utilizado na confecção do molde. Em seguida, apresenta-se
uma revisão sobre os processos de usinagem envolvidos, fresamento e usinagem de
roscas internas. São também abordadas questões referentes à aplicação e
qualidade no produto final.
2.2 Aço Inoxidável
Adições de cromo aumentam a resistência à oxidação e à corrosão do aço.
Aços com teores de cromo superiores a 12% têm grande resistência à oxidação e
são comumente designados como aços inoxidáveis. Estes aços são de grande
interesse para a engenharia, em função de sua resistência à oxidação e à corrosão,
propriedades mecânicas a temperaturas elevadas e tenacidade (dos inoxidáveis
austeníticos) (SILVA e MEI, 1998).
Entretanto, nenhum material é inoxidável, no sentido da palavra, e muita
atenção deve ser dada à correta seleção do material para aplicação em meios
corrosivos; o aço ao carbono comum, por exemplo, pode apresentar resultados
superiores a um aço “inoxidável”, inadequadamente selecionado (SILVA e MEI,
1998).
Para atingirem a condição que os torna inoxidáveis, os aços inoxidáveis
formam um filme de óxido de pequena espessura à superfície do metal, invisível e
aderente (ASM HANDBOOK, 2002).
5
A Figura 2.1 ilustra o fato, ao mostrar que à medida que aumenta o teor de
cromo no aço, este passa, em atmosfera industrial, de metal de grande
corrosibilidade a um metal praticamente indestrutível pela corrosão.
Figura 2.1: Gráfico ilustrando a passividade dos aços-cromo expostos durante 10 anos a
uma atmosfera industrial.
Fonte: CHIAVERINI (1986).
O cromo é, de fato, o elemento mais importante, pois é o mais eficiente de
todos, quando empregado em teores acima de 10%.
2.2.1 Classificação dos aços inoxidáveis
As principais composições de aços inoxidáveis (p. ex. 12% Cr, 18% Cr + 8%
Ni, etc.) foram desenvolvidas, acidentalmente, há cerca de 70 anos. A partir destas
composições, foram estudados os efeitos de diversos elementos de ligas e residuais,
como C, N, Mo, etc. Novas composições vem sendo desenvolvida desde então,
aproveitando os resultados obtidos nestas pesquisas. Os efeitos dos diversos
6
elementos de liga na estrutura dos aços inoxidáveis podem ser observados a partir
dos diagramas de equilíbrio de fases (SILVA e MEI, 1998).
Para fins de classificação e discussão de propriedades, os aços inoxidáveis
são agrupados em 3 principais classes:
1. MARTENSÍTICO – São ligas de Fe + Cr com composições que interceptam o
campo austeníticos no diagrama de fase sendo, portanto endurecíveis por
tratamento térmico de têmpera. Incluem-se nesta família os aços: (AISI) 403, 410,
414, 416, 420, 431, 440A, B e C, 501.
2. FERRÍTICOS – São ligas Fe + Cr essencialmente ferríticas, e que não
endurecem por tratamento térmico de tempera. Os principais tipos são: (AISI) 405,
430, 430F, 446, 502.
3. AUSTENÍTICOS – São ligas Fe + Cr + Ni que não endurecem por tratamento
térmico de têmpera, e sendo predominantemente austeníticos após a tratamento
térmico comercial. Incluem-se nesta família: (AISI) 301, 302, 304, 308, 310, 316,
317, 321, 347. Outros aços inoxidáveis austeníticos incluem aqueles em que, por
questão de custo, parte do níquel é substituído por manganês ou nitrogênio
(elementos estabilizadores de austenita) ex.: (AISI) 201 e 202.
2.2.2 Usinabilidade dos aços inoxidáveis
O termo usinabilidade é normalmente utilizado para descrever as
propriedades de um material durante a usinagem. Quando é dito que um material A
tem maior usinabilidade que um material B, isto pode significar que durante a
usinagem do material A atingiu-se menores valores de desgastes, ou melhores
condições do acabamento superficial, ou menor potência requerida para usinagem
(NASCIMENTO, 2008).
Por causa da grande variedade de aços inoxidáveis disponíveis, uma
simples caracterização da sua usinabilidade pode levar a conclusões equivocadas. A
usinabilidade dos aços inoxidáveis varia de muito baixa a muito alta, dependendo da
escolha das ligas. Em geral, os aços inoxidáveis são considerados mais difíceis de
7
usinar que outros metais, como alumínio e aços de baixa liga, pois aderem à pastilha
durante o corte, mostrando tendência de produzir cavacos longos e aderentes,
formando assim a aresta postiça de corte. Isto reduz a vida da pastilha e prejudica o
acabamento superficial da peça (NASCIMENTO, 2008).
A melhora da usinabilidade dos aços inoxidáveis geralmente está
acompanhada de uma queda na resistência a corrosão. Nos últimos anos, tem-se
utilizado a técnica de controle das inclusões óxidas para melhorar a usinabilidade,
sem deterioração das outras propriedades. Isto é alcançado através de tratamento
especial durante a fabricação de aço líquido. Além disso, a melhoria na usinabilidade
tem apresentado ainda algumas interferências nas propriedades mecânicas do aço
(TESSLER e BARBOSA, 2002).
2.3 Grandeza física no processo de corte
O princípio usado em toda máquina-ferramenta para obter a superfície
desejada é providenciar um movimento relativo apropriado entre a peça a
ferramenta, escolhida adequadamente. Assim, para o estudo de usinagem, é
necessário a definição das grandezas físicas no processo de corte. A norma NBR
6175:2015 Usinagem – Processos Mecânicos: Terminologia trata justamente desses
conceitos (ABNT, 2015). A seguir são apresentadas algumas definições básicas
extraídas dessa norma.
2.3.1 Movimentos
Os movimentos nas operações de usinagem são movimentos relativos entre
a peça e aresta cortante e a peça considerada estacionária. Podem- se distinguir
dois tipos de movimentos: os que causam diretamente a saída de cavaco e os que
não tomam parte diretamente na sua retirada. Movimentos que causam diretamente
a saída do cavaco:
8
Movimento de corte: realizado entre a peça e a aresta de corte, o
qual, na ausência de movimento de avanço, produz somente uma
única retirada de cavaco.
Movimento de avanço: realizado entre a peça e a aresta de corte, o
qual, com o movimento de corte, provoca a retirada contínua de
cavaco.
Movimento efetivo: resultante dos movimentos de corte e avanço,
realizados ao mesmo tempo.
Movimentos que não causam diretamente a formação do cavaco:
Movimento de aproximação: realizado entre a peça e a aresta de
corte, por meio do qual ambas se aproximam antes da usinagem.
Movimento de ajuste: realizado entre a peça e a aresta de corte para
determinar a espessura de material a ser retirado.
Movimento de correção: realizado entre a peça e a aresta de corte
para compensar o desgaste da ferramenta, ou outra variação
(térmica, por exemplo).
Movimento de recuo: realizado entre a peça e a aresta de corte com o
qual a ferramenta, após a usinagem, é afastada da peça.
2.3.2 Direção dos movimentos
Devem-se distinguir as direções dos movimentos que causam diretamente a
retirada de cavaco:
Direção de corte: instantânea do movimento de corte.
Direção de avanço: instantânea do movimento de avanço.
Direção efetiva: instantânea do movimento efetivo de corte.
Figura 2.2 ilustram essas direções para o fresamento tangencial discordante,
respectivamente.
9
Figura 2.2: Direções do movimento de corte.
Fonte: ABNT NBR 6175 (2015) apud Machado.
2.3.3 Percurso da ferramenta na peça
Percurso de corte (Lc): é o espaço percorrido pelo ponto de referência
da aresta cortante sobre a peça, segundo a direção de corte.
Percurso de avanço (Lf): é o espaço percorrido pelo ponto de
referência da aresta cortante sobre a peça, segundo a direção de
avanço. Nos casos em que há movimento de avanço principal e
lateral, devem-se distinguir os componentes do percurso de avanço.
Percurso efetivo (Le): é o espaço percorrido pelo ponto de referência
da aresta cortante sobre a peça, segundo a direção efetiva do corte.
Definições análogas são válidas para os movimentos que não tornam parte
diretamente na retirada do cavaco. Figura 2.3 ilustras os percursos da ferramenta na
operação de fresamento tangencial discordante.
10
Figura 2.3: Percurso de corte.
Fonte: MACHADO, et al. (2009).
2.3.4 Velocidades no processo
Velocidade de corte (Vc) é a velocidade instantânea do ponto de referência
da aresta cortante da ferramenta, segundo a direção e o sentido do corte. Equação
1.1 mostra como determinar os processos de movimento.
𝑣𝑐 =π .d .n
1000 [m/min] (1.1)
Onde:
d = diâmetro da peça ou da ferramenta em mm
n = número de rotações por minuto (rpm).
Velocidade de avanço (Vf) é a velocidade instantânea do ponto de referência
da aresta cortante da ferramenta, segundo a direção e o sentido de avanço. É dada
pela Equação 1.2:
𝑣𝑓 = 𝑓 . 𝑛 [mm/min] (1.2)
Onde:
11
𝑓 = avanço em mm/rev (mm por revolução)
𝑛 = número de rotações por minuto.
Velocidade efetiva de corte (Ve) é a velocidade instantânea do ponto de
referência da aresta cortante da ferramenta, segundo a direção e o sentido efetivo
do corte. É calculada vetorialmente como mostra a Equação 1.3:
𝑣𝑒⃗⃗⃗⃗ = 𝑣𝑐⃗⃗⃗⃗ + 𝑣𝑓⃗⃗⃗⃗ [m/min] (1.3)
A seleção das velocidades de corte e de avanço (e consequentemente da
velocidade efetiva) mais adequadas depende da operação de usinagem e dos
materiais da ferramenta e da peça. Além destas, têm-se também as velocidades de
aproximação, de ajuste, de correção e de recuo. Embora não tomem parte na
retirada de cavaco, as velocidades de aproximação e recuo são particularmente
importantes em máquinas comandadas numericamente, visto que valores elevados
para tais velocidades contribuem para a redução do tempo total de fabricação da
peça (MACHADO, et al 2009).
2.4 Fresamento
A operação de fresamento é reconhecida pela versatilidade na produção de
geometrias diversas, além de garantir elevadas taxas de remoção de material, visto
que a ferramenta (fresa) possui múltiplas arestas de corte. Nesse grupo de
operações, a ferramenta gira enquanto a peça, presa à mesa, é responsável pelos
movimentos de avanço longitudinal e transversal. Em situações especiais, a peça
pode ficar estática enquanto a ferramenta realiza todos os movimentos (MACHADO,
et al 2009).
Fresamento tangencial (concordante ou discordante).
Fresamento tangencial de canais ou de perfis.
Fresamento de topo.
Fresamento frontal.
12
Fresamento com fresa de topo esférica.
Fresamento de cavidades.
A maior quantidade de eixos de movimentação possíveis de serem
implementados em um equipamento lhe confere grande flexibilidade, quando
comparado a outros processos de usinagem. Desta forma, o fresamento é utilizado
na usinagem de peças das mais variadas geometrias e tamanhos, na fabricação de
peças com complexidade e obtendo níveis de tolerância e acabamento superficial
cada vez melhores, à medida que as máquinas e ferramentas evoluem (HELLENO e
SCHÜTZER, 2003).
No fresamento o processo de corte é interrompido. Isto é, o dente da fresa
entra e sai da peça a cada revolução da ferramenta o que sujeita os dentes a um
ciclo de forças de impactos e cargas térmicas a cada rotação, necessitando de
ferramentas com características adequadas, máquinas e sistemas de fixação de
elevada rigidez.
Existem várias maneiras de diferenciar e classificar os diferentes tipos de
fresamento. Figura 2.4 apresenta uma das classificações baseada na orientação do
eixo da ferramenta em relação ao movimento de avanço.
Figura 2.4: Dois tipos básicos de fresamento: (a) tangencial, (b) faceamento.
Fonte: Adaptado GROOVER (2010).
13
Outros tipos de fresamento são variantes ou podem ser considerados
combinação deles. Como exemplo pode ser citado a geração de engrenagens, o
fresamento de canais, entre outros.
Existem duas técnicas fundamentais de fresamento. De acordo com sentido
de rotação em relação ao movimento de avanço, podendo ser classificado em
fresamento concordante ou fresamento discordante.
2.4.1 Fresamento discordante
No corte discordante, o sentido do movimento de avanço é contrário ao
sentido do movimento da fresa. No fresamento discordante a espessura de corte
aumenta progressivamente de zero até um valor máximo. Além disso,
frequentemente o contato é realizado com uma superfície encruada, causada pelo
corte do dente anterior. A Figura 2.5 mostra o fresamento discordante e suas
terminologias conforme a norma ABNT NBR 6175:2015.
Figura 2.5: Fresamento discordante.
Fonte: ABNT NBR 6175 (2015).
No corte discordante é utilizado apenas em ocasiões especificas, pois é
exigido um sistema de fixação mais rígidos para não ocasionar o desprendimento da
peça, o que em altas velocidades oferece risco de graves acidentes.
14
2.4.2 Fresamento concordante
No corte concordante o movimento de avanço da mesa apresenta o mesmo
sentido que o movimento rotatório da ferramenta. Neste tipo de fresamento, a
componente vertical de usinagem apresenta a mesma direção em todo o corte, ou
seja, empurrando a peça em direção à mesa. Isto diminui vários inconvenientes em
relação ao corte discordante. Existem ainda alguns inconvenientes neste tipo de
usinagem. Como o início do corte se dá arrancando a máxima seção transversal de
corte, muita força é dispensada no início do corte, fato que é altamente ampliado em
usinagem de materiais duros, o que pode favorecer quebras e diminuição da vida da
ferramenta (DINIZ et al. 2001).
Outro inconveniente é que a componente horizontal da força de usinagem
possui o mesmo sentido de avanço da mesa. Esta força, portanto, também está no
sentido oposto da força horizontal de usinagem, que tem modulo variável, devido a
variação da espessura de corte. Então, a força resultante final sobre o fuso da
máquina varia em módulo e sentido, o que pode gerar vibração. A Figura 2.6 mostra
o fresamento concordante e suas terminologias conforme ABNT NBR 6175:2015.
Figura 2.6: Fresamento concordante.
Fonte: ABNT NBR 6175 (2015).
15
Com isto, em geral, o fresamento concordante possibilita melhor
acabamento superficial da peça, sendo por isto, preferido e muitos casos.
2.4.3 Geometria das fresas
A geometria da ferramenta de corte exerce grande influência no
desempenho da usinagem. Por melhor que seja o material da ferramenta, se a sua
geometria não for preparada adequadamente, não haverá êxito na operação.
Tamanha é a sua importância que se faz necessário normalizar, da maneira mais
conveniente possível, os ângulos da cunha cortante para uniformizar a nomenclatura
entre os profissionais e a literatura especializada.
Segundo Suarez (2008) Além das diferentes geometrias, uma fresa pode
apresentar diferentes formatos projetados com base nas superfícies a gerar na peça,
podendo mudar, por exemplo, a quantidade de dentes e a distribuição das cunhas
cortantes (frontal ou tangencial). Em geral, existe uma faixa do número de dentes na
qual se consegue vantagens no acabamento, no controle da vibração e na
temperatura, fatores que tem grande importância neste trabalho.
Figura 2.7 mostra alguns tipos de hélices tipicamente utilizadas na usinagem
com fresas cilíndricas.
Figura 2.7: Tipos de geometria das fresas.
(N) (H) (W)
Fonte: Adaptado CIMM (2021).
16
N: Para usinagem leva, com dentes paralelos ao eixo de rotação para
larguras de até 19 mm. Para tamanhos maiores têm ângulos de hélice
entre 15 e 25°.
H: Para usinagem pesada, com larguras superiores a 50mm, têm
ângulo de hélice de 25 a 45° para obter um impacto mais favorável na
entrada e uma ação de corte mais uniforme e distribuída.
W: São fresas cilíndricas com ângulo de hélice superior a 45°, com
grande rendimento, indicadas para a usinagem de alumínio e metais
leves em geral. As ranhuras têm grande capacidade de alojar os
cavacos (dentes bem espaçados) e o ângulo de saída lateral bastante
grande.
Para cada aplicação, tipo de operação e de material adota-se uma
ferramenta de geometria específica para cada caso. Figura 2.8 Classifica algumas
fresas de acordo com sua estrutura e quanto a sua forma geométrica.
Figura 2.8: Classificação quanto à estrutura e forma geométrica.
Fonte: STOETERAU et al. (2004).
17
A escolha entre eles vai depender da relação entre profundidade e largura
do rasgo for grande, as fresas de disco são a primeira opção. A escolha definitiva vai
depender do tipo de máquina disponível. As fresas de disco necessitam de uma
fresadora horizontal, enquanto as de topo, de uma fresadora vertical (DINIZ et al.
2001).
2.5 Deterioração da ferramenta no fresamento
De acordo com Diniz (2001), além dos diversos fenômenos que causam o
desgaste da ferramenta de usinagem, o fresamento possui algumas características
peculiares que auxiliam o processo de desgaste e/ ou avaria da ferramenta. São
elas:
Variação na temperatura: quando uma dada aresta está em contato com a
peça realizando o corte, a mesma se aquece. Devido a espessura de corte variável,
a distribuição de temperatura é irregular. Quando a aresta sai da peça e passa a
girar em alta velocidade ao ar e em contato com o fluido de corte, ele se resfria.
Estas variações de temperatura resultam em tensões que podem causar as trincas
térmicas.
Consequentemente, as temperaturas em um corte interrompido flutuam
ciclicamente, aumentando durante o tempo ativo da aresta de corte e diminuindo
durante o tempo inativo. A variação cíclica dessa temperatura é ilustrada na Figura
2.9.
18
Figura 2.9: Variação cíclica da temperatura de corte.
Fonte: PALMAI (1987).
A curva “a” da figura representa o aquecimento da aresta em um corte
contínuo, no qual a temperatura tende a se estabilizar em um valor constante,
equilibrando a geração do calor na formação de cavacos com as perdas por
condução para a peça, para a ferramenta, para cavaco e, por convecção, para o
fluido de corte ou ambiente (corte a seco). A curva “b” representa o resfriamento
continuo da aresta, desde o valor constante de temperatura atingido durante o corte
até a temperatura ambiente.
Variação dos esforços mecânicos: no fresamento, por exemplo, a cada ciclo
ou giro da fresa, cada inserto ou aresta sofre um impacto violento na entrada do
corte. Esse impacto é causado pela mudança súbita de carga zero, no ciclo inativo,
para carga total de natureza compressiva. Quando a situação é desfavorável, a
ferramenta pode sofrer lascamento ou mesmo quebrar-se no primeiro ciclo, devido a
condições abusivas ou inadequadas. Entretanto, mesmo trabalhando
adequadamente, a aresta estará sujeita a um carregamento repetitivo a cada
entrada na peça, que pode levar ao aparecimento de trincas por fadiga.
A Figura 2.10 apresenta avarias de origem mecânicas em uma ferramenta
utilizada no fresamento de aço inoxidável austeníticos ABNT 304.
19
Figura 2.10: Fratura na aresta de corte.
Fonte: SANDVIK (2000).
A somatória das trincas de origem térmica com as trincas de origem
mecânica resulta num tipo de formação na cunha cortante da ferramenta
denominada sulco em forma de pente.
Estas características existem maior cuidado com a tenacidade e resistência
ao choque térmico da pastilha, bem como com o dimensionamento da geometria da
ferramenta a fim de que ela possa resistir a estes fenômenos.
Mesmo se a ferramenta de corte possuir tenacidade suficiente para evitar
uma avaria, estará sempre sujeita ao desgaste. O tempo em que uma aresta de
corte trabalha efetivamente antes de ser reafiada ou substituída é denominado "vida
da ferramenta de corte" (T) (MACHADO et al., 2009).
Uma maneira prática muito utilizada industrialmente é permanecer usando a
aresta de corte até que as peças produzidas ultrapassem a faixa de tolerância e/ou
acabamento estabelecida para a usinagem, mas ainda estejam, porém, dentro das
especificações de projeto. Entretanto, usar uma aresta de corte após um elevado
nível de desgaste acarreta um alto risco, pois valores excessivos de desgaste
causam aumento da força de usinagem e da geração de calor, elevando a chance
de alcançar um nível de falha catastrófico.
20
2.5.1 Mecanismo de degaste
Geralmente, em condições normais de corte, todas as formas de desgaste
acontecem devido a vários mecanismos envolvidos no processo de usinagem. A
Figura 2.11 apresenta um diagrama clássico com os diversos mecanismos de
desgaste em função da temperatura.
Figura 2.11: Diagrama com os principais mecanismos de desgaste.
Fonte: MACHADO et al., (2009).
No diagrama exposto, os mecanismos de abrasão, adesão, difusão e
oxidação são apresentados em função da temperatura de corte ou de qualquer
parâmetro que a influencie, principalmente a velocidade de corte. Em baixas
temperaturas, apenas -os mecanismos de adesão e abrasão estão presentes e a
adesão é predominante, enquanto em temperaturas elevadas, a adesão perde lugar
para os novos mecanismos de difusão e oxidação. Observa-se que esses dois
mecanismos vão crescendo em participação com o aumento da temperatura, e que
a difusão cresce em uma escala exponencial. Esse diagrama também salienta que o
desgaste total cresce muito com o aumento da temperatura de corte (MACHADO et
al., 2009).
21
2.6 Acabamento da região fresada
A qualidade das superfícies das peças é caracterizada pelo acabamento
obtido na usinagem e pelas propriedades físicas e mecânica do metal na camada
superficial. Estas propriedades são modificadas durante o processo de usinagem
devido à alguns fatores como: pressão da ferramenta, atrito da superfície, calor
gerado no processo de corte, entre outros.
As ferramentas usadas em operações de acabamento geralmente têm
ângulos de corte positivos para reduzir as forças de corte e obter melhor
acabamento superficial. A geometria mais aguda faz com que elas sejam mais
frágeis do que as ferramentas de desbaste. Em geral, o acabamento utiliza menores
profundidades de corte e são empregadas maiores velocidades de corte para obter o
melhor acabamento e chegar à geometria e às dimensões finais da peça (TOH,
2004).
As superfícies de peças, quando observadas de perto, em detalhes mostram
que apresentam sempre após um tipo de usinagem, irregularidades. Estas por si
causam imperfeições ou marcas deixadas pela ferramenta de corte que atuam sobre
tal superfície da peça. Partindo disso vê-se a importância do estudo do acabamento
superficial na medida da necessidade de precisão, que aumenta com a
funcionalidade das peças (PALMA, 2006).
O fresamento tangencial produz uma superfície ondulada. A altura desta
ondulação define a rugosidade máxima teórica que é calculada a partir do diâmetro
da fresa e do avanço por dente (Figura 2.12). Esta rugosidade máxima teórica pode
ser dada por:
𝑅 𝑚𝑎𝑥 =𝑓 ²
4𝐷 (1.4)
22
Figura 2.12: Superfície teórica fresada por fresamento tangencial.
Fonte: DINIZ et al. (2001).
Ainda segundo Diniz (2001), algumas ações podem ser realizadas para
diminuir a vibração e melhorar o acabamento, como a aplicação do fresamento
concordante, o uso adequado de fluido de corte, diminuição da profundidade de
corte lateral (ae) e de diversos outros parâmetros que se bem empregados ajudam o
processo de corte.
No fresamento frontal, como o faceamento, por exemplo, a utilização de
pastilhas alisadoras em ferramentas com arestas intercambiáveis, melhora o
acabamento da superfície e abaixa a rugosidade, pois tem uma aresta secundária
plana com um comprimento de corte (bs) bem maior que as demais, sobrepondo os
passes anteriores (MACHADO et al., 2009).
2.7 Processo de furação
O processo de furação é um dos processos de usinagem mais utilizados na
indústria manufatureira. A grande maioria das peças de qualquer tipo utilizadas na
indústria tem pelo menos um furo, e somente uma parte muito pequena dessas
peças já vem com o furo pronto do processo de obtenção (fundição, forjamento,
23
etc.). Em geral, as peças têm de ser furadas em cheio ou terão seus furos
aumentados através do processo de furação (DINIZ et al., 2001).
Furação é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de um
furo, geralmente cilíndrico, numa peça, com auxílio de uma ferramenta geralmente
multicortantes. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e, simultaneamente a
ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou
paralela ao eixo da máquina, pode ser dividida nas categorias: furação em cheio,
escareamento, furação, escalonada, furação de centros e trepanação (FERRARESI,
1995).
Neste processo devem-se levar em conta os seguintes fatores: diâmetro do
furo, profundidade, tolerâncias de forma e de medidas e volumes de produção. As
operações de furação sempre se realizam em condições severas, onde a velocidade
de corte não é uniforme, variando desde zero no centro do furo até no máximo na
periferia. O fluido de corte chega com dificuldade até a aresta de corte, onde é mais
necessário, e deve atuar como refrigerante, lubrificante e meio de remoção dos
cavacos (STEMMER, 2008).
De acordo com DINIZ (2001), tem crescido bastante a utilização de centros
de usinagem CNC no processo de furação. Com isto, vários desenvolvimentos têm
ocorrido com os materiais das ferramentas de furação (brocas). Alguns
desenvolvimentos nesta área são:
a) Broca de aço rápido revestida com nitreto de titânio – possibilitou um
substancial aumento da velocidade de corte e/ou da vida da
ferramenta em relação a broca de aço rápido sem revestimento;
b) Broca inteiriça de metal duro – quando o furo é pequeno (menor que
20mm) e a máquina possui rotação, rigidez e potência suficiente, esta
broca é uma boa alternativa;
c) Broca com pastilhas intercambiáveis de metal duro – brocas deste
tipo são inviáveis quando seu diâmetro é pequeno, devido à
dificuldade de fixação dos incertos. Porém, para brocas de diâmetros
médios esta é uma boa opção, desde que, novamente, a máquina
propicie sua utilização;
24
d) Brocas especiais – quando o furo tem diâmetro muito grande e/ou um
comprimento muito grande em relação ao diâmetro (relação L/D
grande) estes tipos de brocas podem ser utilizadas.
Porém, atualmente no Brasil, mais da metade das operações de furação
ainda são realizadas com brocas helicoidais de aço rápido com ou sem camada de
cobertura. Isto torna o processo de furação extremamente lento.
2.7.1 Brocas helicoidais
Existem vários tipos de brocas disponíveis no mercado, cada qual para uma
aplicação distinta. Dentre elas, a principal e mais utilizada para furação em materiais
metálicos é a broca helicoidal.
Os conceitos básicos e a nomenclatura das diversas partes das brocas
helicoidais são definidos pala norma ABNT – TB-111 (DIN-412). A norma ABNT-EB-
621 (DIN-1414) dá as diretrizes para a fabricação e aplicação de brocas helicoidais
de aço rápido. Esta normalização é base para construção de brocas especiais de
metal-duro, de grande utilização na indústria. A Figura 2.13 mostra vários
componentes de uma broca helicoidal (STEMMER, 2008).
Figura 2.13: Representação de uma broca helicoidal.
Fonte: STEMMER (2008).
25
a) Haste – destina-se à fixação da broca da máquina. Em brocas de
diâmetro pequeno (até 15mm) em geral usa-se brocas de haste
cilíndrica e a fixação à máquina se dá por intermédio de mandris;
b) Diâmetro (D) – é medida entre as duas guias da broca. Normalmente
tem tolerância dimensional h8;
c) Núcleo – parte interior da broca de diâmetro igual a 0.16 D. Serve
para conferir rigidez à broca;
d) Guias – a superfície externa de uma broca helicoidal apresenta duas
regiões (uma em cada aresta de corte) que tem diâmetro maior que o
diâmetro das paredes da broca;
e) Canais helicoidais – são as superfícies de saída da ferramenta. O
comprimento do canal helicoidal também pode variar dependendo do
diâmetro da broca e do comprimento do furo que se deseja usinar;
f) Aresta de corte – numa broca helicoidal as duas arestas principais de
corte não se encontram em um ponto, mas existe uma terceira aresta
ligando-as. Esta terceira aresta é chamada de aresta transversal de
corte.
Para cada operação de furação, existe uma geometria ótima para emprego
da broca. Na Figura 2.14, pode-se verificar os ângulos que compõem a geometria da
cunha de corte de uma broca helicoidal e sua importância significativa sobre o
processo de furação.
26
Figura 2.14: Geometria da cunha de uma broca helicoidal.
Fonte: STEMMER (2008).
Brocas helicoidais possuem os ângulos denominados: “α” que é conhecido
como ângulo de folga ou incidência, “β”, que é conhecido com ângulo de cunha, e
“γ”, que é o ângulo de saída. Esta analogia é aplicada como conceito em qualquer
ferramenta de corte (DINIZ et al., 2001).
2.8 Usinagem de rosca interna
Segundo Ferraresi (1969), a operação de rosqueamento é definida como um
processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de filetes, por meio da
abertura de um ou vários sulcos helicoidais de passo uniforme, em superfícies
cilíndricas ou cônicas de revolução. Por meio de uma grande variedade de
processos pode-se manufaturar roscas, alguns deles são:
Usinagem por torneamento ou fresamento (ambos com ferramentas
de única ou múltipla aresta);
27
Usinagem com ferramentas rígidas – macho rígido ou cossinete;
Ferramenta laminadora;
Fundição e injeção;
Machos de corte são ferramentas de múltiplos cortes específicas para
execução de roscas internas, podendo ser utilizadas tanto manualmente quanto em
máquinas como, furadeiras, tornos, centros de usinagem e rosqueadeiras. Em
relação ao sistema de fixação, estas ferramentas podem ser fixas por desandadores,
no caso do processo manual, ou em mandris rígidos ou flutuantes, no caso de
máquinas (FERRARESI, 1969; SMITH, 2008). Figura 2.15 ilustra a cinemática do
processo de rosqueamento com machos rígidos.
Figura 2.15: Cinemática do processo de rosquemento com machos rígidos.
Fonte: Adaptado de AHN et al. (2003) apud ANDRADE.
Na figura 2.15, para esse tipo de processo e tipo de ferramenta, existem
duas fases. A primeira, de corte (movimento de avanço) e a segunda, um movimento
de retorno. Além disso, em conjunto com o movimento linear deve haver também um
movimento angular sincronizado.
Processos que envolvem a utilização de machos rígidos, fresas integrais,
ferramentas de única e de múltipla aresta de corte para fabricação de roscas são os
processos mais comuns para roscas internas. A escolha do melhor processo está
diretamente associada à aplicação, ou seja, necessidades como elemento de
28
transmissão ou de fixação, grau de precisão dimensional, geometria e
principalmente o material a ser usinado (STEPHENSON e AGAPIOU, 2006). Um
segundo fator é a quantidade de componentes a ser produzida em função da
viabilidade econômica para ferramentas dedicadas ou da necessidade de
ferramentas genéricas para uma gama de roscas.
2.9 Molde
O molde é composto de forma cúbica, todos os componentes devem ser
compostos por metal não corrosível, devido serem imerso em água no banho
térmico para cura à pressão atmosférica, que devem ter dimensões adequadas à
imersão completa dos moldes para argamassa, ou pasta de cimento para poços de
petróleo (SILVA, 2021)
Geralmente os materiais empregados podem ser bronze, ou aço inoxidável e
a espessura mínima deve ser de 5mm. O principal objetivo do molde, é determinar a
resistência à compressão da pasta de cimento endurecida. Tal informação possibilita
estimar a resistência que a pasta endurecida apresentará no poço após a operação
de cimentação (NBR 9831:2020).
Existem uma infinidade de moldes para ensaio em argamassa ou pastas de
cimento, porém, cada um com objetivo e norma especifica para cada tipo de ensaio
a ser a realizado. Por exemplo: ensaio de resistência flexão em três pontos, ensaio
de resistência a compressão em moldes cilíndricos (NBR 7215:1996), entre outros.
29
3 Metodologia
Este capitulo visa descrever, apresentar os recursos, e procedimentos
adotados para realização dos experimentos a fim de atingir os objetivos proposto,
como também, as características dos materiais usinados, as especificações das
ferramentas e dos equipamentos. Na Figura 3.1 apresenta um fluxograma
descrevendo todas as etapas do projeto.
Figura 3.1: Fluxograma descrevendo todas as etapas do projeto.
Fonte: Elaborada pelo autor.
30
3.1 Materiais
Para realização do presente trabalho, foram utilizados os materiais que
estão divididos de acordo com as etapas 3.1.1 e 3.1.2.
3.1.1 Especificação do aço
O material da peça de trabalho utilizado, corresponde a um aço inoxidável
austenítico AISI 304, e sua composição química básica é representada na Tabela
3.1.
Tabela 3.1: Propriedades química do aço inoxidável AISI 304.
Composição (%)
C Mn P S Si Cr Ni
0,08 2,0 (máx) 0,045 (máx) 0,030 (máx) 1,0 (máx) 18,0–20,0 8,0-11,0
(ASM, 2005)
A chapa inox 304 é um dos modelos de chapa mais utilizados no mercado
por causa de suas características, tanto de espessura quanto de resistência, que
atendem as mais diversas aplicações utilizadas pelas fabricantes. Devido ao fato de
poder ser fabricada em diversos tamanhos, pode se adequar facilmente ao trabalho
a ser realizado, sem que ofereça qualquer tipo de risco ao profissional que a
manuseia.
O comprimento das chapas de aço inoxidável pode ser conforme à
solicitação do cliente e a disponibilidade do fabricante, porém, a chapa utilizada para
fabricação dos moldes possui uma espessura de 5/16” polegadas (≈ 7,93 mm). Na
Figura 3.2 mostra algumas chapas de aço inoxidável com largura x comprimento de:
1,2 x 3,0 m.
31
Figura 3.2: Chapa de aço inoxidável 5/16”.
Fonte: Compraço1.
3.1.2 Especificação dos parafusos
Parafusos são elementos de fixação, empregados na união não permanente
de peças, isto é, as peças podem ser montadas e desmontadas facilmente,
bastando apertar e desapertar os parafusos que as mantém unidas. Na Figura 3.3 é
possível visualizar os parafusos que foram utilizados para unir as partes do molde,
(a) parafusos Allen de cabeça cilíndrica sextavado interno M4 x 12mm, (b) barra
roscada 5/16” x 90mm com porca sextavado.
1 Disponível em: < https://compraco.com.br/products/chapa-de-aco-inox-5-16mm-304 > acesso em: 25 mar.
2021.
32
Figura 3.3: Parafusos utilizados para unir as partes do molde.
Fonte: Elaborada pelo autor.
O parafuso Allen é fabricado com aço de alta resistência à tração e possui
um furo hexagonal de aperto na cabeça, que geralmente é cilíndrica recartilhada.
Para aperto, utiliza-se uma chave especial: chave Allen. A Tabela 3.2 mostra as
informações técnicas.
Tabela 3.2: Especificações do parafuso Allen de cabeça cilíndrica sextavado interno.
Aplicações do produto
Comprimento útil de rosca 12 mm
Tipo de rosca Rosca máquina
Acionamento Sextavado interno
Medida do acionamento 3 mm
Material Aço inox
Diâmetro M4
Norma dimensional DIN 912
Passo / Fios 1,25 MA
Fonte: Elaborada pelo autor.
Para a barra roscada, em geral, é um elemento de fixação muito utilizado em
projetos mecânicos e em todo ramo industrial. Sua principal vantagem, é variedade
(b) (a)
33
de tamanho que se pode encontrar no mercado. A Tabela 3.3 e 3.4 mostra as
informações técnicas da barra e da porca sextavada, utilizado na fabricação do
molde.
Tabela 3.3: Especificações da barra roscada 5/16”.
Especificação
Diâmetro 5/16 pol
Material Aço Inox 18.8 (304)
Acabamento Passivado
Dimensões ASME B16.5
Rosca UNC – ASME B1.1
Fonte: Elaborada pelo autor.
Tabela 3.4: Porca sextavada 5/16”.
Especificação
Diâmetro 5/16 pol
Rosca/FPP UNC – 18 fios
Altura 6,93 mm
Chave 1/2 pol
Material Aço inoxidável 304 A2
Acabamento Passivado
Dimensões ASME B18.2.2
Fonte: Elaborada pelo autor.
Esses parafusos (barra roscada) atravessam, de lado a lado, as peças a
serem unidas no molde, passando livremente nos furos.
34
3.2 Métodos
3.2.1 Projeto
O principal objetivo a ser alcançado, é produzir um molde cúbico constituído
de metal duro, não atacável pelo cimento, e tendo as faces laterais suficientemente
rígidas para evitar sua deformação. Para isso, através da ferramenta CAD
(computer-aided design) o primeiro passo foi a elaboração de um modelo geométrico
(Figura 3.4).
Figura 3.4: Conjunto montagem.
Fonte: Elaborada pelo autor.
35
O software Solidworks, foi utilizado para modelar todo o conjunto do molde,
conforme especificado pela norma ABNT NBR 9831:2020. A Figura 3.5 mostra uma
vista explodida, também chamada de perspectiva explodida, é um diagrama,
imagem ou desenho técnico, onde mostra a relação e a sequência de montagem do
conjunto que será manufaturado.
Figura 3.5: Vista explodida da montagem.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Em anexo segue o projeto detalhado e a lista de peças, conforme a norma, e
especificações de desenho técnico.
36
3.3 Máquinas-Ferramenta utilizado na manufatura
Neste tópico, serão apresentados os equipamentos e ferramentas utilizadas
para alcançar o objetivo proposto. A projeto foi executado em parceria com a
empresa GSM, Grupo de serviços e manutenção hidráulico / industrial / residencial.
3.3.1 Equipamento de corte
A primeira etapa após a aquisição da chapa inox 5/16”, foi realizar o
processo de corte. Buscando qualidade e precisão, utilizou-se o corte a laser para
obter dimensões predefinidas e próximas do objetivo final. Esta etapa de corte foi
realizada em uma empresa terceirizada.
O corte a laser é realizado através da incidência de um feixe de laser sobre
o ponto da peça, capaz de fundir e vaporizar o material em volta desse ponto. Desse
modo, é possível furar e cortar diversos materiais metálicos. As coordenadas de
deslocamento geralmente são comandadas por um sistema CAD (Computer Aided
Design).
3.3.2 Fresadora e fresa
O fresamento frontal é um dos métodos mais utilizados para acabamento,
empregado na indústria de moldes e matrizes, estabelecido no sistema
convencional, onde a maioria das máquinas ferramentas são dotadas de apenas três
eixos, o que dificulta a aplicação de muitas estratégias existentes nos softwares
CAM. A Figura 3.6 é possível visualizar a furadeira fresadora combinada que foi
utilizada no processo de fabricação do molde.
37
Figura 3.6: Furadeira fresadora combinada.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Na segunda fase dos experimentos, os ensaios realizados com fresamento
frontal, foi utilizado uma fresa de facear (fresa frontal). Fresas para fresamento com
ângulos de posição de 45 – 90º para aplicação média, oferece um corte mais leve,
visto que, a capacidade para profundidades de corte de 6 – 8 mm dentro de uma
faixa de avanço de 0,2 – 0,6 mm. Figura 3.7 exemplifica uma fresa de faceamento
sobre uma determinada superfície e, Figura 3.8 a Fresa utilizada no ensaio.
Para as condições de usinagem foram determinados os seguintes
parâmetros:
Vc = 162 m/min;
fz = 0,15 mm / dente;
ap = 0,20 mm,
ae = 0,25 mm.
38
Os parâmetros de usinagem utilizados foram determinados de acordo com
as recomendações do fabricante, assim como, reduzir ao máximo o fenômeno do
desgaste e obter uma boa rugosidade da superfície usinada.
Figura 3.7: Fresa similar à que foi utilizada na fabricação do molde.
Fonte: Sandvik2.
Figura 3.8: Fresa utilizada no faceamento do molde.
Fonte: Elaborada pelo autor.
2 Disponível em < https://www.sandvik.coromant.com/pt-pt/knowledge/milling/pages/face-milling.aspx
> Acesso em 10 de abr. de 2021.
39
3.3.3 Sistema de furação e broca
Para realizar a furação no molde, também se utilizou a furadeira fresadora
combinada, a diferença é a modificação do mandril. O mandril pode ser dividido em
duas regiões distintas: a interface de fixação das ferramentas ou porta-ferramentas,
e a interface de travamento do mandril na máquina-ferramenta. Para o furo de menor
diâmetro utilizou-se uma broca de 3,5 mm.
Porém, para o furo de maior diâmetro, utilizou-se a furação em duas fases:
pré furação com a broca de 3,5 mm e em seguida, furação final com uma broca de 8
mm. Esse método possibilita a obtenção de furos mais precisos e com melhor
acabamento. Como vantagens temos, forças de avanço menores e um processo de
usinagem mais estáveis.
Estas brocas são todas helicoidais, e passaram por processo de
revenimento para melhor eficiência na furação do aço inoxidável. Segue a descrição
do produto:
Broca revenida;
Indicada para furo em aço inox;
Norma DIN338INOX;
Diâmetro: 3,5 e 8,0 mm;
Comprimento 70 mm.
A velocidade de corte é sempre referida ao diâmetro da broca e a rotação
por minuto do equipamento, tem-se pois:
Vc = 18 m / min, para d = 8,0 mm;
Vc = 8 m / min, para d = 3,5 mm;
Os avanços possíveis dependem do tipo de material da peça e do diâmetro
da broca. O s avanços dados se situam usualmente de 2% diâmetro da broca.
Então:
f = 0,16 mm, para d = 8,0 mm;
40
f = 0,07 mm, para d = 3,5 mm;
3.3.4 Macho de roscar
Na Figura 3.9, mostra um conjunto composto por três machos M4 x 0,7
utilizados para roscas tradicionais, e em seguida, o vira macho tipo T M3 – M7 que
auxilia no processo de usinagem de rosca interna.
Figura 3.9: Conjunto de macho e vira macho.
Fonte: Elaborada pelo autor.
41
4 Resultados e Discussões
Neste capítulo são apresentados os resultados referentes as etapas
experimentais, seguindo os métodos apresentados no capítulo anterior. Serão
abordadas as principais características do processo, tais como, resultado final do
molde após a manufatura e as respectivas medidas dimensionais.
4.1 Usinagem
Aplicando os parâmetros de usinagem apresentados no fluxograma da
Figura 3.1, conseguiu-se o molde que está apresentado na Figura 4.1.
Figura 4.1: Conjunto molde após usinagem.
Fonte: Elaborada pelo autor.
42
No processo de usinagem, o ideal seria usinar as peças o mais próximo
possível da medida nominal. Porém, não é viável, pois uma operação deste tipo
absorveria um tempo muito grande, originaria uma porcentagem muito alta de
refugos, além de usinar uma peça com a precisão que, na grande maioria dos casos,
não é necessária. A consequência direta de um procedimento desse tipo, seria o
encarecimento do produto devido à baixa produtividade e ao alto tempo de
usinagem.
Na verdade, é necessário somente determinar dentro de que desvio a
medida nominal a peça pode ser executada. Para isso, segundo a ABNT NBR
9831:2020, os moldes e máquinas de ensaio de compressão uniaxial, devem estar
de acordo com os requisitos estabelecidos na norma ASTM C 109/C 109M – 2.
Tabela 4.1 mostra as dimensões e tolerâncias exigida pela norma.
Tabela 4.1: Variações permissíveis para os moldes cúbicos de 50 mm.
Parâmetro Molde novo Molde em uso
Distância entre lados opostos 50 mm ± 0,13 mm 50 mm ± 0,50 mm
Altura de cada
compartimento
50 mm + 0,25 mm /
- 0,13 mm
50 mm + 0,25 mm /
- 0,38 mm
Fonte: ASTM C 109/C 109M – 2.
Após a usinagem de todos os componentes e montagem do conjunto,
realizou a verificação dimensional, podendo determinar para cada espaço cúbico, se
a variação dimensional está dentro da tolerância adotada e manteve-se as
dimensões exigidas.
A ferramenta de medição utilizada para medir a distância, entre os dois lados
simetricamente opostos do molde fabricado, foi o paquímetro. O paquímetro utilizado
foi o Mytutoyo, segue as especificações técnicas:
Série: 500;
Modelo: Digital ABSOLUTE AOS;
Capacidade: 150 mm / 6 pol;
Resolução / Graduação: 0,01 mm / 0,0005 pol;
43
Exatidão: ± 0,02 mm.
Recentemente, o paquímetro foi calibrado no Laboratório de Metrologia /
Labmetrol – UFRN. Tabela 4.2 apresenta o resultado das medidas dimensionais do
molde cúbico.
Tabela 4.2: Dimensões do molde cúbico após manufatura.
Parâmetro Cubo 1 Cubo 2 Cubo 3
Distância entre lados
opostos
F1: 50,03 mm
F2: 50,01 mm
F1: 50,08 mm
F2: 50,05 mm
F1: 50,04 mm
F2: 50,03 mm
Altura de cada
compartimento
49,92 mm 50,05 mm 50,01 mm
F1: Face 1, F2: Face 2.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Avaliando os resultados obtidos na Tabela 4.2, e confrontando com a Tabela
4.1, é possível aferir que o molde fabricado atendeu as especificações exigidas pela
norma. Assim validando o uso para ensaios de resistência a compressão uniaxial em
pastas de cimento.
4.2 Teste de estanqueidade
Devido o molde ser preenchido por um fluido, é necessário que a base,
obtenha uma tolerância geométrica de diferença de plano (planicidade) mínima. A
planicidade é medida através da intersecção de um plano perpendicular aos planos
de medida, evitando assim, problemas como concavidade ou convexidade.
Uma fina camada de graxa é aplicada nas faces internas do molde e na
base, para facilitar o desmolde do cimento após um determinado tempo de cura. Em
seguida é realizado um teste de estanqueidade para identificar imperfeições na base
e nas arestas do molde. O teste de estanqueidade consiste simplesmente em
preencher um local com certa quantidade de água, esperar um certo tempo, e
44
realizar a inspeção visual. Figura 4.2 é possível visualizar como esse ensaio foi
realizado.
Figura 4.2: Ensaio de estanqueidade no molde cúbico.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Um tensoativo foi adicionado a água, para constatar que o molde está
preenchido por um fluido. Aguardou por um determinado tempo, e verificou se houve
algum vazamento por alguma fresta ou irregularidade no molde.
A partir desse experimento, foi possível dizer que molde se manteve
hermético ou estanque, podendo assim, evitar retrabalho e problemas a curto prazo.
4.3 Corpos de prova
A pasta de cimento foi preparada de acordo com a Seção 7 da ABNT NBR
9831:2020. Em seguida, resumidamente, a pasta de cimento é vertida em todos os
compartimentos do molde, em duas camadas de alturas aproximadamente iguais.
Um bastão de vidro é utilizado para agitar a pasta de cimento em cada
compartimento, afim de evitar bolhas de ar. Seção 10.2.2 da ABNT NBR 9831:2020,
preparo e colocação da pasta, descreve detalhadamente este procedimento. Figura
4.3: (a) molde preenchido com cimento, (b) corpo de prova após o desmolde.
45
Figura 4.3: (a) molde preenchido, (b) corpo de prova após desmolde.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Após o desmolde, foi obtido as medidas com paquímetro novamente, as
dimensões das faces que estarão em contato com as placas da prensa mecânica,
sendo assim perpendiculares à face de moldagem. Tabela 4.3 mostra as medidas
dimensional dos corpos de prova.
Tabela 4.3: Dimensões dos corpos de prova.
Parâmetro Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
Largura 50,03 mm 50,05 mm 50,04 mm
Espessura 49,98 mm 50,03 mm 50,01 mm
Altura 49,89 mm 49,90 mm 50,02 mm
Fonte: Elaborada pelo autor.
(a)
(b)
46
Geralmente, à altura do corpo de prova irá depender da composição da
pasta de cimento, o quanto que o sistema é capaz de manter as partículas de sólido
em suspenção. Porém, as demais medidas, apresentaram resultados satisfatório em
comparação com a Tabela 4.1.
47
5 Conclusões
A partir dos resultados obtidos neste trabalho, é possível chegar às
seguintes conclusões:
O processo de usinagem conseguiu atender as especificações exigidas pela
norma, determinando uma melhor precisão possível dentro do qual a peça em
questão exerça sua função corretamente.
A utilização da ferramenta de facear proporcionou um bom acabamento (em
termos de planicidade) no molde, e conseguiu atingir o principal objetivo que
era atender às especificações dimensionais.
O molde apresentou propriedades de tolerâncias geométricas admissíveis a
partir do ensaio de estanqueidade realizado.
Foi possível produzir corpos de prova de cimento com as dimensões
especificada pela norma.
48
6 Referências
AHN, J. H. et al. Effects of Synchronizing Errors on Cutting Performance in
the Ultra-Highspeed Tapping. Annal of the CIRP, v. 52, n. 1, p. 53–56, 2003.
AMERICAN SOCIETY FOR METALS. ASM Handbook: Properties and
selection: Iron, Stell, and High Performance Alloys. 10 ed., v.1, 2005. 1618p.
ANDRADE, Igor Lopes De. Otimização do fresamento de roscas internas
por interpolação helicoidal. Natal, RN: 2014. 112 f. Dissertação (Mestrado) -
Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
ASM Metals Handbook. Welding, Brazing and Soldering, v.6, 10th Edition
ed; 1993.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2015). NBR –
6175:2015 – Usinagem – Processos Mecânicos –Ferramentas manuais, abrasivas
e de usinagem. São Paulo.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2020). NBR –
9831:2020:2020 – Cimento Portland para poços petrolíferos – Requisitos e
métodos de ensaio.
ASTM C 109/C 109M – 02 – Standard Test Method for Compressive
Strength of Hydraulic Cement Mortars (Using 2-in or [50-mm] Cube Speciment).
CAMARGO, ROBSON; Verificação da Usinabilidade dos Aços
Inoxidáveis Austeníticos através do Processo de Furação. Campinas, SP. 2008.
118 f. Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de
Engenharia Mecânica, Comissão de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
CASTRO, F. C. 10º Seminário de Atualidades Tecnológicas: Profissionais do
setor discutem o que há de novidade em preparação e processo em polímero.
Revista Plástico Moderno. São Paulo: Editora QD Ltda. Disponível em:
49
<http://www.plastico.com.br/ revista/pm374/tecnologicas4.html>. Acesso em: 05 fev.
2021.
CIMM, Centro de Informação Metal Mecânica <www.cimm.com.br>,
acesso em: 06 março 2021.
DEWES, R.C.; NG, E.; CHUA, K.S.; NEWTON, P.G.; ASPINWALL, D.K.
Temperature measurement when high speed machining hardened mould/die steel.
20. Journal of Materials Processing Technology, Birmingham, 1999, p. 293 – 301.
DINIZ, A. E.; MARCONDES, F. C.; COPPINI, N. L.; Tecnologia da
Usinagem dos Materiais. 5. Ed., São Paulo: Artliber Editora, 2001.
FERRARESI, Dino. Fundamentos da Usinagem dos Metais. São Carlos:
Edgard Blucher. 1969. 927 p.
GOMES, J. O. G. Característica da usinabilidade de aços inoxidáveis
austeníticos SAE 304 e SAE 316 com a variação dos parâmetros metalúrgicos.
Florianópolis, SC. 1996. 123 f. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de
Santa Catarina, Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
GROOVER, Mikell P. Fundamentals of Modern Manufacturing. Materials,
processes, and systems, 4th ed. 2010. 1025 p.
HELLENO, André Luís; SCHÜTZER. Programação e transmissão de dados
na tecnologia HSC. In: Usinagem em altíssimas velocidades: como os conceitos
HSM/HSC podem revolucionar a indústria metal-mecânica. São Paulo: Ed. Érica,
2003.
MACHADO, Á. R.; ABRÃO, A. M.; COELHO, R. T.; da SILVA, M. B. Teoria
da Usinagem dos Materiais. 1. ed. São Paulo - SP: Edgard Blucher, 2009. 371 p.
NASCIMENTO, F. A. Avaliação da usinabilidade do aço inoxidável
martensítico AISI 410. Guaratinguetá – SP. 2008. 134 f. Dissertação (Mestrado em
Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá,
Universidade Estadual Paulista.
50
OLIVEIRA, A.J. Análise do desgaste de ferramentas no fresamento com
alta velocidade de aços endurecidos. Campinas, SP. 2007. 232 f. Tese de
Doutorado, Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia
Mecânica, Comissão de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
PALMA, E. S, Tolerância de Acabamento – Rugosidade. 2006. 20p.
(Apostila de Metrologia) - PUC MINAS.
PALMAI, Z. Cutting temperature in intermittent cutting . International
Journal of Machine Tools Manufature, v.27, n. 2, p. 261-274, 1987.
RIBEIRO, J. L. S.; ABRÃO, A. M.; SALES, W. F. Forças de usinagem no
fresamento de aços para matrizes. In: 16 POSMEC- Simpósio de Pós-graduação em
Engenharia Mecânica, 2006, Uberlândia. Anais do 16 POSMEC, 2006.
RICHETTI, A.; MACHADO, A.R; DA SILVA, M.B; EZUGWU, E.O; BONNEY,
J. Influence of the number of inserts for tool life evaluation in face milling of steels.
International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol 44, p.695-700, 2004.
SANDVIK, C. Manual do fresamento, s/d. 2000.
SILVA, André L. C, MEI, Paulo. Aços e ligas especiais. 2º ed. Sumaré, SP:
Eletrometal S. A. Metais Especiais, 1988.
SILVA, F. P F., Avaliação da permeabilidade na interface revestimento
metálico – bainha de cimento em poços submetidos à injeção de vapor. Natal,
RN. 2021. 99 f. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, Departamento de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais.
SMITH, G. T. Cutting tool technology: industrial handbook. 1st Ed. ed.
Southampton: Springer, 2008.
STEMMER, Erich Gaspar. Ferramentas de Corte 2. 4. ed., Florianópolis:
Editora da UFSC, 314 p., 2008.
STOETERAU, R. L.; WEINGAERTNER, W. L.; SCHROETER, R. B.
Processo de Usinagem: Fabricação por Remoção de Material. Apostila, 2004,
180 p.
51
SUAREZ, M. P. Fresamento De Canais Da Liga De Alumínio Aeronáutico
7075-T7. 2008. 111 f. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia,
Uberlândia.
TESSLER, M.B.; BARBOSA C. A. A usinabilidade dos aços inoxidáveis.
Centro de Pesquisa e Desenvolvimento, Villares Metals, 2002.
TOH, C.K. Comparison of chip surface temperature between up and down
milling orientations in high speed rough milling of hardened steel. Journal of
Materials Processing Technology, Dublin, v. 167, p. 110-118, 2005.
VICENTE CHIAVERINI. Tecnologia Mecânica - Estrutura e Propriedades
das Ligas Metálicas - Volume I, 1986.
52
7 Anexos
ANEXO A – Apresentação dos projetos conforme as normas de desenho
técnico.
1
2
55