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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE DAS POTÊNCIAS DE CORTE E RUGOSIDADE NO PROCESSO DE USINAGEM Relatório apresentado à disciplina de Usinagem (TM248), do curso de Engenharia Mecânica (diurno), da Universidade Federal do Paraná. Professor: Pablo Deivid Valle CURITIBA PARANÁ JUNHO DE 2012

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Page 1: Potências de corte   artigo

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ANÁLISE DAS POTÊNCIAS DE CORTE E

RUGOSIDADE NO PROCESSO DE USINAGEM

Relatório apresentado à disciplina de Usinagem

(TM248), do curso de Engenharia Mecânica (diurno),

da Universidade Federal do Paraná.

Professor: Pablo Deivid Valle

CURITIBA – PARANÁ

JUNHO DE 2012

Page 2: Potências de corte   artigo

ANÁLISE DAS POTÊNCIAS DE CORTE E RUGOSIDADE NO

PROCESSO DE USINAGEM

Anderson Carlos Gralak e-mail: [email protected]

Antonio Altair de Carvalho Rocha e-mail: [email protected]

Cléverson Sarnecki e-mail: [email protected]

Danielle Raphaela Voltolini e-mail: [email protected]

Diego Fernando Moro e-mail: [email protected]

Diogo Rafael Labegalini e-mail: [email protected]

Djosef Rafael Rocha e-mail: [email protected]

Eliéser Juliano Kokot e-mail: [email protected]

Felipe Gandin e-mail: [email protected]

Gabriela Dal Molin Grando e-mail: [email protected]

Helison Bertoli Alves Dias e-mail: [email protected]

Lucas Gomes Fonçatti e-mail: [email protected]

Resumo: O objetivo deste relatório é apresentar experimentalmente a influência do avanço na

qualidade superficial em peças torneadas, bem como a sua influência nas potências de corte

envolvidas no processo. Para tal, monitorou-se o processo de torneamento com o auxílio de um

sistema de aquisição de dados, e variou-se o avanço. Para a análise da qualidade superficial foi

realizado o ensaio de rugosidade nas peças com diferentes avanços. Os valores obtidos

experimentalmente foram posteriormente comparados a valores teóricos.

Palavras-chave: avanço, rugosidade, torneamento, potências de corte.

1. Apresentação

As indústrias presentes no mercado atual buscam uma otimização dos processos, visando à

maximização de lucros e redução dos custos para que possam continuar de maneira competitiva no

mercado. Para isso o investimento em novas tecnologias, tanto em máquinas quanto no

aperfeiçoamento da usinagem em geral, é a sua principal preocupação. Esse aperfeiçoamento de

processos de usinagem é muito específico, e vai desde estudos dos tipos e técnicas de utilização de

fluidos de corte, e das ferramentas utilizadas, ao consumo energético de um processo de usinagem,

sempre com o objetivo de obter a melhor qualidade da peça fornecida ao cliente.

Os estudos destinados à potência de corte e a rugosidade fazem parte deste aperfeiçoamento de

processos de usinagem. No presente relatório, iremos estudar o efeito do avanço e da rotação na

potência de corte e na rugosidade de duas amostras diferentes, a partir do cálculo de dados

experimentais, comparando-os com os resultados teóricos, possíveis de serem obtidos pelas

equações. Os parâmetros de entrada, rotação e avanço, foram modificados e assim é possível

realizar a análise das diferenças nas potências de cortes (que representa o consumo energético), e

nas rugosidades.

Page 3: Potências de corte   artigo

2. Força e potência de corte

Conhecer as forças envolvidas nos processos de usinagem é de grande importância, pois estas

afetam a potência necessária para o corte (usada para dimensionar o motor da máquina ferramenta

e para determinar o consumo de energia), a temperatura de corte, o desgaste de ferramenta e a

capacidade de obtenção de tolerâncias estreitas.

A força de usinagem é tratada como uma ação da peça sobre a ferramenta, e é formada por duas

componentes:

Força ativa: Situada no plano de trabalho (plano no qual são realizados os movimentos de

usinagem), contribui para a potência de usinagem e se divide em várias componentes:

o Força de corte: Projeção da força de usinagem na direção de corte;

o Força de avanço: Projeção da força de usinagem na direção de avanço;

o Força de apoio: Projeção da força de usinagem sobre a direção perpendicular à

direção de avanço;

o Força efetiva de corte: Projeção da força de usinagem sobre a direção efetiva de

corte;

Força passiva: Componente perpendicular à força de trabalho, não contribui para a

potência de usinagem. Porém, é responsável pela deflexão elástica da peça e da ferramenta

durante o corte, e consequentemente tem influência na obtenção de tolerâncias de

dimensão e forma.

O objeto de interesse deste relatório é a força de corte; que se correlaciona com a potência de corte

através da seguinte relação:

[ ] (1)

Onde é a força de corte dada em [N] e é a velocidade de corte em [m/min]. é calculada

por:

[ ] (2)

Sendo o diâmetro da peça em [mm] e a velocidade de rotação do torno em [rpm].

A força de corte também pode ser expressa pela equação:

(3)

Onde é a pressão específica de corte e é a área da secção de corte, dada pelo produto da

profundidade pelo avanço para o torneamento.

A pressão específica de corte é diretamente influenciada por fatores como o material da peça

usinada, material e geometria da ferramenta, área da secção de corte, velocidade de corte, afiação

da ferramenta e condições de refrigeração e lubrificação.

Page 4: Potências de corte   artigo

A variável de interesse deste trabalho é a área da secção de corte. Na medida em que esta aumenta,

a pressão específica de corte diminui. O fator diminui, principalmente, com o aumento do

avanço, pois para maiores valores de avanço o fluxo lateral de cavaco (material deformado que

escorrega entre a peça e a geometria da ferramenta) é menor. Com um maior avanço quase todo o

material deformado se transforma em cavaco, e, consequentemente, é menor. Além disso,

maiores avanços significam maiores velocidades de avanço e consequentemente baixos

coeficientes de atrito entre a peça e a ferramenta. A pressão específica de corte também é afetada

pelo aumento da profundidade de corte, mas numa ordem de grandeza inferior. Apesar de aumentar

o contato peça-ferramenta, as velocidades envolvidas não são acrescidas pela variação de

profundidade.

Os fatores que influenciam a pressão específica de corte também afetam a força de avanço e a força

passiva. Contudo, os fatores que mais afetam essas forças são a velocidade de corte e fatores

associados à geometria da ferramenta, como o raio de ponta da ferramenta, o ângulo de posição e o

ângulo de inclinação. Conforme citado anteriormente, a força passiva apesar de não gerar potência

de corte apresenta influência direta na obtenção de tolerâncias dimensionais e geométrica. Além

disso, vibrações no sentido da força passiva influem diretamente na rugosidade da peça.

3. Metodologia

3.1. Equipamentos utilizados – Potências de corte:

Para a visualização das potências envolvidas no processo de usinagem, recorreu-se a uma prática

bastante simples realizando o processo de torneamento monitorado computacionalmente.

Foi utilizado um torno mecânico horizontal de pequeno porte (Figura 1), situado no Laboratório de

Usinagem, equipado com um motor assíncrono com as especificações listadas na Tabela 1:

Tabela 1- Dados do motor

Tipo de enrolamento: Gaiola de esquilo

Potência nominal (Pn): 4 kW

Número de pólos: 4

Frequência: 60 Hz

A transmissão para o eixo da árvore é realizada por meio de um cabeçote fixo com 2 pares de

engrenagens cilíndricas de dentes retos, ligadas ao motor por meio de três correntes trapezoidais.

Figura 1 - Torno mecânico utilizado

Page 5: Potências de corte   artigo

Para o monitoramento da potência consumida pelo processo de usinagem, foi utilizado um sistema

de aquisição baseado na tecnologia de redes para comunicação industrial ‘Fieldbus’ que se baseia

na utilização de instrumentos com o objetivo de controlar e supervisionar equipamentos produtivos.

Sendo assim, recorreu-se a um protótipo implementado na linguagem de programação MS Visual

Basic, disponível em um computador (Pentium II 300 MHz) equipado com um conversor

RS485/RS232 (Figura 2), que por sua vez estava conectado a um wattímetro da marca Kron (Mult-

K 120). Esse sistema de monitoramento estava conectado ao torno por meio de um cabo par

trançado com quatro pares (conector RJ-45). Esse sistema pode monitorar equipamento a uma

distância de até 1000m, sendo assim, a distância foi mais do que suficiente, uma vez que o torno e

o computador estavam bastante próximos.

Figura 2 - Conversor RS485/RS232

No programa acima citado, configura-se os parâmetros do processo, e este ao término da aquisição

de dados, retorna um arquivo em formato “.txt” contendo todos os parâmetros de entrada do

programa, e todos os valores aquisitados e calculados pelo programa (Figura 3).

Figura 3 - Interface do programa de aquisição de dados

Page 6: Potências de corte   artigo

3.2. Materiais utilizados – Potências de Corte:

Para o estudo, foi utilizado um tarugo cilíndrico de aço doce (sem conhecimento específico sobre

as propriedades) (Figura 4).

Figura 4 - Tarugo utilizado

A rotação de trabalho selecionada foi de 900 rpm, selecionada no painel do torno por meio de um

disco com alavanca (Figura 5).

Figura 5 - Seleção da rotação do torno

Uma vez que o objetivo do estudo era comparar as potências de corte para diferentes avanços, bem

como a sua influência na qualidade superficial do produto usinado, o tarugo de aço doce foi

submetido a dois avanços, sendo um pequeno (0,05 mm/rotação) e outro consideravelmente

grande (0,20 mm/rotação). Para o ajuste desses avanços utilizou-se uma tabela disposta no painel

do torno (Figura 6), informando a combinação de alavancas adequada para a obtenção do avanço

desejado. Essa variação de avanços explica a geometria do tarugo (Figura 4), uma vez que a região

superior foi submetida a um avanço, enquanto a região inferior foi submetida ao outro avanço.

Page 7: Potências de corte   artigo

Figura 6 - Tabela para seleção do avanço

O inserto utilizado para o torneamento do tarugo foi um inserto de metal duro modelo WNMG 06

04 08 – MM da Sandvik (Figura 7).

Figura 7 - Inserto utilizado

3.3. Sequência do processo – Potências de corte:

Após os parâmetros do processo serem devidamente configurados no torno, o tarugo foi fixado a

castanha (Figura 8) e submetido a um passe inicial a fim de promover uma superfície uniforme a

ser torneada e avaliada.

Figura 8 - Tarugo fixado à castanha

Page 8: Potências de corte   artigo

Então o torneamento com o avanço mais baixo foi efetuado simultaneamente à aquisição dos

valores de potência consumida pelo torno, por meio do sistema de monitoramento. O mesmo

procedimento foi realizado para o avanço maior.

4. Dados coletados:

No experimento a única variável de processo foi o avanço, uma vez que a rotação utilizada foi à

mesma para ambos os lados.

As condições de corte para o tarugo de aço foram (Tabela 2):

Tabela 2 - Condições de corte para o tarugo

Lados Rotação (RPM) Avanço (mm/volta) Profundidade de corte (mm)

Lado 01 900 0,05 1

Lado 02 900 0,20 1

Já para a utilização do software eram necessários parâmetros como: diâmetro inicial e comprimento

usinado (Tabela 3).

Tabela 3 – Condições iniciais do tarugo

Lados Diâmetro Inicial (mm) Comprimento a ser usinado (mm)

Lado 01 82 61,5

Lado 02 82 61

Assim, com o diâmetro inicial (m) e a rotação (RPM) gerou-se a velocidade de corte (Tabela 4):

Tabela 4 - Velocidade de corte

Lados Velocidade de corte - Vc (m/min)

Lado 01 231,8495

Lado 02 231,8495

Para o cálculo das potências, utilizando um catálogo da Sandvik, retiraram-se os seguintes

dados referentes ao porta-ferramentas (Tabela 5) e a pastilha (Tabela 6):

Tabela 5 – Dados do porta-ferramentas

Dados do porta-ferramentas

k (Graus): 95

α (Graus): -6

Tabela 6 - Dados da pastilha

Dados da pastilha

γ (Graus) γ corrigido (Graus) Ks1(N/mm2) z

9 3 1500 0,25

5. Resultados do experimento:

5.1. Potência de corte:

Com as leituras obtidas através do Wattímetro, foram construídos dois gráficos com o auxílio do

programa Microsoft Excel 2010. Esses gráficos, que são exibidos nas figuras Figura 9 eFigura 10

mostram o comportamento da potência elétrica exigida pelo torno para realizar a usinagem.

Page 9: Potências de corte   artigo

Figura 9 - Potência requerida pela máquina com 900 RPM e avanço de 0,05 mm/volta

Figura 10 - Potência requerida pela máquina com 900 RPM e avanço de 0,20 mm/volta

Os três patamares que pode ser verificados nos gráficos indicam três estados distintos, que

ocorreram durante o experimento:

Primeiro patamar: a peça estava girando e o avanço automático da ferramenta estava ativo;

Segundo patamar: além dos consumos de energia já citados, a ferramenta havia iniciado a

usinagem da peça;

Terceiro patamar: a usinagem havia cessado, assim como o avanço automático, restando

apenas o giro da peça, em vazio.

Assim, pode-se obter a potência consumida para retirar material da peça reduzindo-se a média do

segundo patamar da média do primeiro patamar. Porém, observa-se também que existem pontos

discrepantes no gráfico, oriundos do tempo de estabilização do equipamento de medição. Esses

pontos foram retirados das contas para se obter um resultado mais próximo da realidade.

0,000

500,000

1000,000

1500,000

2000,000

2500,000

3000,000

3500,000

4000,000

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0Po

tên

cia

req

uer

ida

pel

a m

áq

uin

a [

W]

Tempo de usinagem [s]

Curva de potência - Lado 1

0,000

500,000

1000,000

1500,000

2000,000

2500,000

3000,000

3500,000

4000,000

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0

Po

tên

cia

req

uer

ida

pel

a m

áq

uin

a [

W]

Tempo de usinagem [s]

Curva de potência - Lado 2

Page 10: Potências de corte   artigo

Tabela 7: Potência elétrica requerida pelo torno para realizar o corte

Rotação [RPM]: 900

Avanço [mm/rotação] 0,05 0,20

Potência do primeiro patamar [W] 1829,74 1821,95

Potência do segundo patamar [W] 2446,99 3675,15

Potência requerida para o corte [W] 617,25 1853,20

Como era esperado, para o primeiro patamar as médias deram próximas, isso devido ao avanço

influenciar pouco nos processos que estavam ocorrendo durante esse tempo (avanço automático +

rotação da peça). No entanto, para o segundo patamar há uma grande diferença, isso graças ao

grande aumento no avanço (4x maior) que tem papel direto na força de corte (Fc) e na velocidade

de corte (Vc), ambos os parâmetros relevantes para a potência de corte, como fica evidente na

equação (1).

Com o conhecimento desta equação, faz-se necessário o cálculo de tais parâmetros. Isto foi

realizado através da equação (2) para a velocidade de corte, e da equação abaixo exposta para a

força de corte:

( ) [ ] (4)

Onde:

Ks1 é a pressão especifica de corte do material usinado em Newton por milímetro

quadrado;

b é a largura de usinagem dada por:

o ap é a profundidade de corte em milímetros;

o χr é o ângulo de posição da ferramenta em graus.

h é a espessura de usinagem dada por:

o f é o avanço da ferramenta em milímetros por rotação.

A equação (4) é conhecida como equação de Kienzle. Este equacionamento foi apresentado em

aula pelo professor. Com essas informações, adicionando os dados para o material e novamente

com o apoio do software Excel, foi possível montar a Tabela 8 e Tabela 9 de cálculos:

Tabela 8: Potência de corte teórica calculada pela formulação de Kienzle para 900 RPM e 0,05 mm/volta.

Potência de corte - Lado 1

Dados do material experimentado Potência teórica de corte

Material: ST52W (ABNT/ASTM) Velocidade de corte: 231,8495 m/min

Ks1: 1500 N/mm2

Espessura de corte: 0,0498 mm

(1-z): 0,75 Largura de corte: 1,0038 mm

Diâmetro inicial: 82,0 mm Força de corte: 158,7569 N

Profundidade de corte: 1,0 mm Potência de corte teórica: 613,4620 W

Percurso de corte: 61,5 mm

Page 11: Potências de corte   artigo

Tabela 9: Potência de corte teórica calculada pela formulação de Kienzle para 900 RPM e 0,20 mm/volta.

Potência de corte - Lado 2

Dados do material experimentado Potência teórica de corte

Material: ST52W (ABNT/ASTM) Velocidade de corte: 231,8495 m/min

Ks1: 1500 N/mm2

Espessura de corte: 0,1992 mm

(1-z): 0,75 Largura de corte: 1,0038 mm

Diâmetro inicial: 82,0 mm Força de corte: 449,0324 N

Profundidade de corte: 1,0 mm Potência de corte teórica: 1735,1327 W

Percurso de corte: 61,0 mm

6. Discussão dos resultados:

6.1. Potência de corte:

Pode-se observar que o aumento do avanço teve um impacto direto na potência de corte,

aumentando-a. Esse resultado é evidente, uma vez que o avanço influi na espessura de usinagem

(h) de maneira proporcional o que por fim acaba por influenciar a força de corte (Fc) e a potência

de corte (Pc). Quando há aumento do avanço, a espessura de usinagem também aumenta, o que

aumenta a força de corte e em consequência a potência de corte requerida. Esse raciocínio é valido

também para o contrário (a diminuição do avanço).

Pode-se espessar um comportamento parecido para alterações na velocidade de corte (Vc), ou na

rotação (n). Caso esses parâmetros fossem aumentados ou diminuídos, uma vez que também

influem de maneira direta na força de corte segundo o equacionamento de Kienzle, oscilações da

potência de corte seriam esperadas.

Porém, algo não esperado se vê na comparação entre a potência de corte experimental e a teórica.

Elas deveriam apresentar valores parecidos, o que não acontece, como pode ser visto na Tabela 10:

Tabela 10: Comparação entre as potências experimental e teórica.

Comparação da potência de corte

Potência 900 rpm

0,05 mm/volta 0,20 mm/volta

Teórica [W] 613,4620 1735,1327

Experimental [W] 617,2478 1853,2001

Diferença percentual [%] 0,6171 6,8045

Os resultados mostram valores muito acurados entre a expectativa teórica e as medições realizadas.

Isto vem por confirmar a validade da equação de Kienzle para o cálculo da potência teórica

necessária para a usinagem. Os fatores que podem ter influenciado no erro calculado,

principalmente para o maior avanço, advêm, possivelmente, de falhas na operação do torno ou por

vibrações mecânicas induzidas pelo grande avanço empregado.

7. Rugosidade

As superfícies dos componentes mecânicos devem ser adequadas ao tipo de função que exercem.

Por esse motivo, a importância do estudo do acabamento superficial aumenta à medida que

crescem as exigências do projeto.

Page 12: Potências de corte   artigo

Em geral o custo de fabricação é mais elevado para a produção das superfícies lisas. Os diferentes

processos de fabricação de componentes mecânicos, como, por exemplo, a usinagem, determinam

acabamentos diversos nas suas superfícies.

As superfícies, por mais perfeitas que sejam, apresentam irregularidades, as quais compreendem

dois grupos de erros: erros macrogeométricos e erros microgeométricos.

Erros macrogeométricos são os erros de forma, mais grosseiros, verificáveis por meio de

instrumentos convencionais de medição, como os projetores de perfil. Durante a usinagem, as

principais causas dos erros macrogeométricos são:

a) Defeitos em guias de máquinas-ferramenta;

b) Desvios da máquina ou da peça;

c) Fixação errada da peça;

d) Distorção devida ao tratamento térmico.

Erros microgeométricos são os erros conhecidos como rugosidade.

7.1. Definição

Rugosidade pode ser definida como o conjunto de irregularidades, isto é, pequenas saliências e

reentrâncias que caracterizam uma superfície. Essas irregularidades podem ser avaliadas por

rugosímetros e desempenham um papel importante no comportamento de componentes mecânicos.

Resistência ao desgaste, vedação, perda de carga em tubulações, aderência de lubrificantes,

resistência à fadiga e à corrosão são algumas características que são influenciadas pela rugosidade.

A grandeza, a orientação e o grau de irregularidade da rugosidade podem indicar suas causas. As

principais são:

a) Imperfeições nos mecanismos das máquinas-ferramenta;

b) Vibrações no sistema peça-ferramenta;

c) Desgaste das ferramentas;

d) Método de conformação da peça.

Figura 11. Representação da rugosidade de uma superfície.

Page 13: Potências de corte   artigo

7.2. Norma ABNT NBR ISO 4287:2002

Esta norma aborda termos, definições e parâmetros da rugosidade. Algumas definições dessa

norma são importantes para o entendimento da medição de rugosidade.

Superfície efetiva: Superfície avaliada pela técnica de medição, com forma aproximada da

superfície real de uma peça. É a superfície apresentada e analisada pelo aparelho de medição. É

importante esclarecer que existem diferentes sistemas e condições de medição que apresentam

diferentes superfícies efetivas.

Figura 12. Superfície efetiva com ampliação

Perfil efetivo: Imagem aproximada do perfil real, obtido por um meio de avaliação ou medição.

Por exemplo: o perfil apresentado por um registro gráfico, sem qualquer filtragem e com as

limitações atuais da eletrônica.

Figura 13. Perfil efetivo obtido a partir de um rugosímetro (sem filtrar ondulações)

Perfil de rugosidade: Obtido a partir do perfil efetivo, por um instrumento de avaliação, após

filtragem. É o perfil apresentado por um registro gráfico, depois de uma filtragem para eliminar a

ondulação à qual se sobrepõe geralmente a rugosidade.

Figura 14. Perfil de rugosidade (após filtragem de ondulações)

7.3. Composição da superfície de medição

São cinco principais elementos que compõem uma superfície:

Page 14: Potências de corte   artigo

A. Rugosidade ou textura primária é o conjunto das irregularidades causadas pelo processo

de produção, que são as impressões deixadas pela ferramenta (fresa, pastilha, rolo

laminador, etc.).

B. Ondulação ou textura secundária é o conjunto das irregularidades causadas por

vibrações ou deflexões do sistema de produção ou do tratamento térmico.

C. Orientação das irregularidades é a direção geral dos componentes da textura, e são

classificados como perfil periódico (sulcos têm direções definidas) ou aperiódico.

D. Passo das irregularidades é a média das distâncias entre as saliências.

D1: passo das irregularidades da textura primária;

D2: passo das irregularidades da textura secundária.

O passo pode ser designado pela frequência das irregularidades.

E. Altura das irregularidades ou amplitude das irregularidades.

Examinamos somente as irregularidades da textura primária.

Figura 15. Elementos que compõem uma superfície de medição

7.4. Avaliação da rugosidade por comprimento de amostragem (Cut-off)

O comprimento de amostragem nos aparelhos eletrônicos, chamado de cut-off ( ), não deve ser

confundido com a distância total ( ) percorrida pelo apalpador sobre a superfície. É recomendado

pela norma ISO que os rugosímetros devam medir 5 comprimentos de amostragem e devem indicar

o valor médio.

Figura 16. Comprimentos para a avaliação da rugosidade

A distância percorrida pelo apalpador deverá ser igual a 5 mais a distância para atingir a

velocidade de medição e para a parada do apalpador . Como o perfil apresenta rugosidade e

ondulação, o comprimento de amostragem filtra a ondulação.

Page 15: Potências de corte   artigo

Figura 17. Rugosidade e ondulação

A rugosidade H2 é maior, pois incorpora ondulação. A rugosidade H1 é menor, pois, como o

comprimento é menor, ele filtra a ondulação.

7.5. Sistemas de medição da rugosidade superficial

São usados dois sistemas básicos de medida: o da linha média M e o da envolvente E. No Brasil,

pelas Normas ABNT NBR ISO 4287:2002 e NBR 8404/1984, é adotado o sistema M.

Sistema M:

No sistema M, a linha média é a linha paralela à direção geral do perfil, no comprimento da

amostragem, de tal modo que a soma das áreas superiores, compreendidas entre ela e o perfil

efetivo, seja igual à soma das áreas inferiores, no comprimento da amostragem ( ).

Figura 18. Sistema M

7.6. Avaliação da rugosidade em peças usinadas:

As saliências e reentrâncias (rugosidade) são irregulares. Para dar acabamento adequado às

superfícies é necessário, portanto, determinar o nível em que elas devem ser usinadas, ou seja,

deve-se adotar um parâmetro que possibilite avaliar a rugosidade.

7.6.1. Rugosidade Média (Ra):

A rugosidade média, ou “roughness average” (Ra), é a média aritmética dos valores absolutos das

ordenadas de afastamento (yi), dos pontos do perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro

Page 16: Potências de corte   artigo

do percurso de medição (lm). Essa grandeza pode corresponder à altura de um retângulo, cuja área

é igual à soma absoluta das áreas delimitadas pelo perfil de rugosidade e pela linha média, tendo

por comprimento o percurso de medição (lm).

Figura 19 - Rugosidade Média (Ra)

O parâmetro Ra é usado nos seguintes casos:

Quando for necessário o controle contínuo da rugosidade nas linhas de produção;

Em superfícies em que o acabamento apresenta sulcos de usinagem bem orientados

(torneamento, fresagem etc.);

Em superfícies de pouca responsabilidade, como no caso de acabamentos com fins apenas

estéticos.

A rugosidade Ra para uma operação de usinagem pode ser estimada com base na literatura pela

equação abaixo:

(5)

Onde:

é o avanço.

é o raio de ponta da ferramenta.

7.6.2. Rugosidade Máxima (Ry):

A rugosidade máxima está definida como o maior valor das rugosidades parciais (Zi) que se

apresenta no percurso de medição (lm). Por exemplo: na Figura 20, o maior valor parcial é o Z3,

que está localizado no 3º cut off, e que corresponde à rugosidade Ry.

Figura 20 - Rugosidade Máxima (Ry)

Page 17: Potências de corte   artigo

O parâmetro Ry é empregado nos seguintes casos

Superfícies de vedação;

Assentos de anéis de vedação;

Superfícies dinamicamente carregadas;

Tampões em geral;

Parafusos altamente carregados;

Superfícies de deslizamento em que o perfil efetivo é periódico.

Para se estimar a rugosidade Ry em um processo de usinagem, utiliza-se a equação abaixo:

(6)

Onde:

é o avanço.

é o raio de ponta da ferramenta.

7.6.3. Rugosidade total (Rt):

A rugosidade total corresponde à distância vertical entre o pico mais alto e o vale mais profundo no

comprimento de avaliação (lm), independentemente dos valores de rugosidade parcial (Zi). Na

Figura 21, pode-se observar que o pico mais alto está no retângulo Z1, e que o vale mais fundo

encontra-se no retângulo Z3. Ambos configuram a profundidade total da rugosidade Rt.

Figura 21 - Rugosidade total (Rt)

O parâmetro Rt tem o mesmo emprego do Ry, mas com maior rigidez, pois considera o

comprimento de amostra igual ao comprimento de avaliação.

7.6.4. Rugosidade média (Rz):

A rugosidade média (Rz) corresponde à média aritmética dos cinco valores de rugosidade parcial.

Rugosidade parcial (Zi) é a soma dos valores absolutos das ordenadas dos pontos de maior

afastamento, acima e abaixo da linha média, existentes no comprimento de amostragem (cut off).

Na representação gráfica do perfil, esse valor corresponde à altura entre os pontos máximo e

mínimo do perfil, no comprimento de amostragem (le).

Page 18: Potências de corte   artigo

Figura 22 - Rugosidade média (Rz)

O parâmetro Rz é empregado nos seguintes casos:

Pontos isolados não influenciam na função da peça a ser controlada. Por exemplo:

superfícies de apoio e de deslizamento, ajustes prensados etc.;

Em superfícies onde o perfil é periódico e conhecido.

7.7. Representação da Rugosidade

Como é de conhecimento, existem diversos tipos de superfícies. Para identificar cada uma delas,

existe uma simbologia específica para rugosidade, a qual segue:

7.7.1. Norma ABNT NBR 8404:1984

Fixa os símbolos e indicações complementares para a identificação do estado de superfície em

desenhos técnicos.

Figura 23. Símbolos sem identificação

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Figura 24. Símbolos com indicação da característica principal da rugosidade Ra

Figura 25. Símbolos com indicações complementares

Figura 26. Símbolos para indicações simplificadas

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7.7.2. Indicações do estado de superfície

As indicações do estado de superfície são dispostas em relação aos símbolos que seguem:

Figura 27. Indicações da superfície.

a = valor da rugosidade Ra, em mm, ou classe de rugosidade N1 até N12.

b = método de fabricação, tratamento ou revestimento.

c = comprimento de amostra, em milímetros.

d = direção de estrias.

e = sobremetal para usinagem, em milímetros.

f = outros parâmetros de rugosidade.

7.7.3. Indicação em desenhos

Todos os símbolos e inscrições devem estar orientados para serem lidos na posição normal e no

lado direito:

Figura 28. Representação em desenhos

7.7.4. Direção nas estrias

A direção das estrias é a direção predominante das irregularidades da superfície.

Figura 29. Representação de estrias

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7.8. Rugosímetro

Consiste em um aparelho eletrônico com alto padrão de qualidade de medições utilizado para

verificação da superfície de peças e ferramentas – destinado para análises de rugosidade.

Inicialmente, seu uso era apenas para rugosidade ou textura primária. Mas com o tempo

apareceram novos critérios como ondulação, exigindo a evolução das tecnologias. Sendo assim, os

novos aparelhos –quem mantém o nome rugosímetro – também medem estes critérios secundários.

Os rugosímetros podem ser classificados em dois grandes grupos: aparelhos que fornecem somente

a leitura dos parâmetros de rugosidade (aplicados em linhas de produção) e aparelhos que, além da

leitura, permitem o registro, em papel, do perfil efetivo da superfície (uso mais em laboratórios).

Estes aparelhos são compostos das seguintes partes:

Apalpador: desliza sobre a superfície levando os sinais da agulha apalpadora até o

amplificador.

Unidade de acionamento: com uma velocidade constante, desloca o apalpador sobre a

superfície.

Amplificador: contém um indicador de leitura que recebe os sinais da agulha e tem a parte

principal eletrônica do aparelho.

Registrador: acessório do amplificador que fornece a reprodução do corte da superfície.

Para determinação da rugosidade, deve-se percorrer com um apalpador de formato normalizada,

acompanhado de uma guia (patim). Enquanto um acompanha a rugosidade, o outro acompanha a

ondulação. O movimento da agulha é transformado em impulsos elétricos e registrado no

mostrador.

Figura 30. Rugosímetro portátil digital (esquerda) e rugosímetro digital com registro

incorporado (direita)

7.9. Procedimento experimental utilizado para medição de rugosidade:

7.9.1. Equipamentos utilizados:

O segundo objetivo da prática era avaliar a influência do avanço na rugosidade da superfície do

usinado, e pode ser realizado através da medição da mesma através de um rugosímetro manual da

marca Mitutoyo, modelo SJ201, já não mais fabricado pela empresa. Conectado a esse rugosímetro

foi utilizado um apalpador específico e assim os picos e vales resultantes do processo de

torneamento são medidos e três valores de rugosidade são verificados.

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7.9.2. Sequência do processo:

O tarugo foi preso em um suporte, por meio de castanhas, com o lado de avanço menor voltado

para fora, e então o apalpador foi posicionado rente à superfície usinada. Indicou-se para o

rugosímetro iniciar a leitura da rugosidade, e então o apalpador foi deslocado pela superfície do

tarugo por uma distância de aproximadamente 5,6 mm, dividindo essa região em 7 partes, sendo

que a primeira e última são desprezadas para efeito de levantamento de dados.

Uma vez que os dados necessários foram coletados pelo rugosímetro, esse imprimiu na tela valores

de Ra, Ry máximo e Rz máximo. O mesmo procedimento foi realizado para o lado com avanço

maior.

A Figura 31 ilustra a montagem empregada para realizar as medições de rugosidade na peça.

Figura 31 - Montagem para a medição de rugosidade

7.10. Dados de rugosidade coletados:

Por fim, os dados coletados da rugosidade (média e máxima), através de medições sucessivas com

o rugosímetro, foram (Tabela 11):

Tabela 11- Rugosidades

Rugosidade média - Ra

Lados Ra1 (μm) Ra2(μm) Ra3(μm)

Lado 01 0,90 0,77 0,80

Lado 02 2,47 2,32 2,35

Rugosidade máxima no plano y - Ry

Lados Ry1 (μm) Ry2(μm) Ry3(μm)

Lado 01 7,90 5,90 7,93

Lado 02 14,10 14,17 15,06

Rugosidade máxima no plano z - Rz

Lados Rz1 (μm) Rz2(μm) Rz3(μm)

Lado 01 7,90 5,90 7,93

Lado 02 14,10 14,17 15,06

7.11. Resultados

Partindo dos dados coletados é possível comparar as rugosidades média e máximas com as

equações teóricas (equações 5 e 6):

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Tabela 12 - Rugosidade média Ra experimental e teórica para r_ε=0,8 mm

Comparação das rugosidades médias (Ra)

Rugosidade 900 rpm

0,05 mm/volta 0,20 mm/volta

Teórica [μm] 0,15625 2,5

Experimental [μm] 0,823 2,38

Diferença percentual [%] 81,02 4,8

Tabela 13 - Rugosidades máximas Ry e Rz experimentais e teóricas para r_ε=0,8 mm

Comparação das rugosidades máximas (Ry e Rz)

Rugosidade 900 rpm

0,05 mm/volta 0,20 mm/volta

Teórica [μm] 0,391 6,25

Experimental [μm] 7,243 14,44

Diferença percentual [%] 94,61 56,73

7.12. Análise de resultados

Como pode ser observado pelos resultados obtidos, as rugosidades Ra, Ry e Rz máxima foram

maiores para o lado 2, o qual foi usinado com velocidade de avanço maior. A explicação disso está

no fato de que com um avanço mais elevado, a força de corte e, consequentemente, a vibração da

peça durante a usinagem são maiores. Devido a isso, a rugosidade tende a ser maior.

Isto está de acordo com o que é apresentado por Souza et. al. [3], ou seja, as rugosidades (máxima e

média) tendem a aumentar proporcionalmente em relação ao avanço.

Segundo Alves [4], quando o raio de ponta da ferramenta é elevado o acabamento superficial fica

bastante irregular para velocidades de avanço muito pequenas devido à maior vibração. Isto implica

em rugosidades médias superficiais maiores e ocorrem diferenças significativas entre as

rugosidades experimental e teórica, como pode ser observado na Tabela 12.

Em relação à rugosidade máxima, para um avanço maior a potência de corte será maior e a

formação do cavaco será facilitada [4]. Dessa forma a rugosidade experimental se aproxima da

teórica (Tabela 13). Porém como o raio de ponta da ferramenta é razoavelmente grande, as

diferenças entre o resultado teórico e experimental ainda são significativas, sendo esta menor que

aquela.

Apesar disso, também se deve considerar que erros de medição possam ter ocorrido. O rugosímetro

estar descalibrado, a interferência por vibrações externas e a má fixação das peças podem ser

fatores que influenciaram durante as medições.

Referências

[1] DINIZ, A. E.; MARCONDES, F. C.; COPPINI, N. L. Tecnologia da Usinagem dos

Materiais. 7ª edição, São Paulo: Artliber, 2011.

[2] COSTA, D. D.; MAGALHÃES, J. F.; LAJARIN, S. F.; AMORIM, F. L. Monitoramento da

eficiência elétrica em processos de usinagem. [3] SOUZA, A. J.; SHOROETER, R. B. Análise da influência dos parâmetros de corte nos

sinais monitorados de força e vibração, e na variação da rugosidade da superfície

torneada.

[4] ALVES, D. Análise de rugosidade superficial de superfície torneada em função do avanço

e do raio de ponta da ferramenta.

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[5] Apostilas Telecurso 2000 - Metrologia - Aulas 18, 19 e 20.

[6] Norma ABNT NBR ISO 4287:2002 - Especificações geométricas do produto (GPS) -

Rugosidade: Método do perfil - Termos, definições e parâmetros da rugosidade.

[7] Norma ABNT NBR 8404:1984 - Indicação do estado de superfícies em desenhos técnicos