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ENSAIOS DE USINABILIDADE: UMA REVISO BIBLIOGRFICA SOB A TICA

DA ENGENHARIA DE PRODUO

Angelo Gustavo Bissoli

angelogustavo@hotmail.com

Arnaldo Czar Teixeira Dias Filho

arnaldocezar.engprod@gmail.com

Ivan Bridi

ivanbridi@gmail.com

Jos Geraldo Costa

josegeraldoge@gmail.com

Matheus Batista Foletto

matheusfoletto@gmail.com

Rafael Silva Banos

rafaelsilvabanos@hotmail.com

Renato Aguiar

renatoufes@gmail.com

Resumo: Conhecer os materiais, suas caractersticas e propriedades sempre fez parte do interesse do homem, uma vez que este passou a dominar os metais. Hoje o homem j no se utiliza de pedras, ou fogo para modificar sua estrutura, este possui ferramentas cortantes capaz de dar formas e aplicaes para os materiais que tornam sua vida fcil. Com o desenvolver da Usinagem, processos de avaliao da usinabilidade de materiais se desenvolveram. Primeiramente para validar a aplicao dos materiais, seguido pelo aspecto econmico de se usinar. Ensaiar validar e sob esta tica este trabalho de reviso bibliogrfica apresenta os ensaios de usinabilidade consagrados.

Palavras-chave: Conhecer os materiais; Avaliao da usinabilidade; Ensaios de

Usinabilidade consagrados.

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1. INTRODUO

O interesse pelo domnio das caractersticas dos materiais fez ao longo da histria

com que o homem buscasse um constante desenvolvimento dos processos de

obteno dos mais diversos tipos de materiais. Com essa finalidade buscava-se tanto

compreender seus processos de formao, aplicabilidade e suas vrias caractersticas

que podem ser decorrentes ou no da forma de sua microestrutura.

O estudo dessas caractersticas fornece uma base fundamental para qualquer

engenheiro, que usualmente estabelece tipos de materiais para as mais diversas

aplicaes.

Neste presente artigo, busca-se compreender estas caractersticas dos materiais sob

a luz da usinabilidade destes materiais, dando enfoque ao conhecimento das tcnicas

como base de avaliao dos ensaios frente a demanda por validao dos materiais e

sua finalidade.

2. REFERENCIAL TERICO

Para compreender as caractersticas dos materias, formas modificar sua forma,

estrutura e sua relao com outros materias, dada na forma de ligas, foram definidas

propriedades dos materiais de serem trabalhados. A esta propriedade denominou-se

Usinabilidade dos materiais.

A Usinabilidade pode ser definida como sendo uma grandeza que quantifica a

facilidade ou a dificuldade de se usinar um material. Para definir esta grandeza deve-

se trabalhar com as variveis envolvidas na usinagem desses materiais. As

propriedades do material que podem afetar a usinabilidade de um material so:

a) Dureza

b) Taxa de encruamento

c) Resistncia trao

d) Ductilidade

e) Condutividade trmica

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Mas a usinabilidade no depende somente das condies intrnsecas do material

(fatores metalrgicos), mas ela depende tambm de fatores ambientais ou como

pode-se dizer, caractersticas do processo, como:

a) Condies de usinagem

b) Caractersticas da ferramenta

c) Condies de refrigerao

d) Tipo de operao (corte intermitente...)

e) Rigidez do sistema mquina-ferramenta

A avaliao da usinabilidade feita com base nos parmetros considerados do

processo, ou seja, um material pode possuir uma boa usinabilidade quando se leva

em conta uma propriedade de usinagem, como por exemplo, a vida da ferramenta e

no possuir boa usinabilidade quando se levado em conta outra propriedade, como

por exemplo, a rugosidade da pea usinada.

Um estudo da usinabilidade no envolve somente os fabricantes de materiais, mas

tambm os consumidores e os fabricantes de ferramenta de corte. Apresenta, alm

disso, uma enorme relevncia para a produo de uma determinada empresa, razo

pela qual existe interesse em se estabelecer mtodos de ensaio que permitam estudar

a usinabilidade de um material. Esta prtica no visa apenas avaliar a dificuldade de

se usinar um material, mas tambm pode se quantificar o desempenho de uma

ferramenta de corte, de geometrias de ferramenta e fluidos de corte (Machado e Silva,

1999).

2.1. Efeito dos elementos de liga na Usinabilidade de Aos

De forma geral, os elementos de liga do certo controle sobre as propriedades do

material, por vezes condicionado a outras variveis como tratamentos trmicos e

mecnicos.

Devido ao uso frequente em projetos. Os efeitos decorrentes da adio de alguns

desses elementos nas propriedades dos aos ficaram mais acessveis na literatura.

No caso do efeito da adio de elementos de liga na usinabilidade dos aos, alguns

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elementos possuem pouca documentao, especialmente devido ao segredo

industrial envolvido na maioria dos estudos.

2.2. ndice de Usinabilidade

O ndice de usinabilidade (I.U.) um valor numrico que serve de comparao. Um

material pode ter um valor de usinabilidade baixo em certas condies de usinagem e

um valor maior em outras condies por exemplo. Assim comparando dois materiais,

diremos que aquele que tiver um ndice de usinabilidade mais alto o material mais

fcil de se usinar.

Existem vrios mtodos para se chegar ao ndice de usinabilidade de um material. O

mtodo mais aceito um ensaio chamado de longa durao, onde o material

ensaiado e o material tomado como padro, so usinados at o fim da vida da

ferramenta ou at um determinado valor de desgaste da ferramenta. O ndice de

usinabilidade (I.U.) ento dado pela relao entre a vc20 (ou vc60) do material

ensaiado e aquela correspondente ao material tomado como padro, ao qual se d o

ndice 100%.

I.U. = vc20 (mat. Ensaiado)/vc20 (padro)

3. ENSAIOS DE USINABILIDADE

A usinabilidade depende de diversos parmetros, de modo que a ordem no ranking de

usinabilidade de um certo nmero de materiais pode no ser o mesmo, uma vez que

obtidos em condies diferentes. Desta forma, segundo Mills e Redford (1983)

usinabilidade no uma propriedade, e sim uma grandeza que indica a facilidade ou a

dificuldade de se usinar um material, sendo assim uma funo do teste e no uma

funo de uma propriedade do material.

A Figura 3.1 mostra os principais fatores que influenciam na determinao da

usinabilidade de um material, segundo Ferraresi (1970):

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Figura 3.1: Principais fatores que influenciam na determinao da usinabilidade dos materiais.o da usinabilidade dos materiais.

Fonte: Amorim, 2002 (abud FERRARESI, 1970).

Os ensaios de usinabilidade so divididos em dois grupos:

a) Requer Usinagem;

b) No requer usinagem

Tambm dividido em dois sub-grupos, como demonstrado na Figura 3.2:

a) Ensaios Relativos (Ranking Testes)

b) Ensaios Absolutos

Figura 3.2: Classificao dos ensaios de usinagem.

Fonte: Amorim, 2002 (apud MILLS e REDFORD, 1983).

Os Ensaios Absolutos so vlidos para vrias velocidades de corte (Equao de

Taylor Simples), podendo, em outros casos, levar em considerao mudanas nas

outras condies de corte e geometria da ferramenta (Equao de Taylor Expandida).

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Nos testes relativos, relacionado um ranking, no qual indicado o material mais

apropriado para aquela condio de corte, no entanto, no existe garantia quando as

condies de corte se alterarem, o ranking permanecer o mesmo.

Testes que no requerem usinagem so sempre testes relativos. Testes que

requerem usinagem podem ser relativos ou absolutos. De acordo com o tempo eles

podem ser classificados em: curta durao ou longa durao.

Testes relativos so sempre de curta durao, e testes absolutos so quase sempre

de longa durao.

3.1. Ensaios de Usinabilidade que no requerem usinagem

Os ensaios que no requerem usinagem so sempre relativos e de curta durao,

sendo de mais fcil execuo do que os ensaios que requeiram usinagem, sejam

estes relativos ou no.

Uma utilidade desse tipo de ensaio no sentido de prover uma resposta rpida

necessidade do projetista de componentes ou mesmo como um embasamento no

desenvolvimento de novos materiais.

Pode-se citar alguns ensaios de usinabilidade que no requerem usinabilidade, como:

3.1.1. Teste de composio qumica

Busca correlacionar dados relativos composio qumica de um material com

grandezas nas quais seja possvel efetuar comparao em termos de usinabilidade.

Os mtodos mais utilizados relacionam a composio do material V60 (velocidade

de corte que acarreta uma vida de ferramenta de 60 minutos) e a um ndice de

usinabilidade de 0 a 100%, respectivamente.

a) Mtodo de Czaplicki:

V60 161,5 141,4.%C 42,4.%Si 39,2.%Mn 179,4.%P 121,4.%S

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Segundo Ferraresi (1970), esta relao no apresenta resultados coerentes para

ferramentas de metal duro.

b) Mtodo de Boulger:

I.U.=146,0 - 400,0.%C- 1500,0.%Si+ 200,0.%S

Nesse mtodo, a composio qumica relacionada com o ndice de Usinabilidade

(I.U.).

3.1.2. Teste de Microestrutura

A microestrutura determina vrias propriedades de um material, influindo grandemente

em sua usinabilidade. O tamanho de gro e a proporo das fases ferrtica e perltica

em diferentes aos alteram fortemente as componentes da fora de corte.

Segundo Mills e Redford (1983), a avaliao mais usada do efeito da microestrutura

do material da pea na usinabilidade a desenvolvida por Zatlin e Field (1950), cujos

resultados esto na Tabela abaixo, segundo a qual aos contendo 50% ou mais de

perlita combinam boa usinabilidade com alta dureza.

Tabela 3.1: Propriedades do material em funo da microestrutura.

Fonte: Mills e Redford (1983).

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3.1.3. Teste de propriedades fsicas

A tcnica associa propriedades como condutividade trmica (B), dureza Brinell (HB)

do material, comprimento caracterstico (L) e reduo percentual de rea obtidos em

ensaio de trao convencional (Ar) com a V60 de um material. Todavia, por no

levar em considerao o material da ferramenta, est sujeita a erros significativos.

3.2. Ensaios de Usinabilidade que requerem usinagem

Esses tipos de ensaios podem ser classificados em: testes relativos, que determinam

a usinabilidade relativa entre dois ou mais combinaes de ferramenta-pea para

condies especficas de corte e; testes absolutos, indicando os mritos de dois ou

mais pares de ferramenta-pea em uma faixa de condio de corte.

3.2.1. Ensaios Relativos

a) Ensaios de Presso constante

Neste ensaio, aplica-se uma fora constante na direo de avano e mede-se o

intervalo de tempo em que a ferramenta realiza um determinado deslocamento.

Outra opo medir o percurso descrito pela ferramenta e um intervalo de tempo

pr-fixado. Geralmente este ensaio realizado nos processos de furao e

torneamento.

Nas fuguras 3.3 e 3.4, possvel verificar um esquema deste ensaio no processo de

torneamento, onde os pesos so fixados ao carro porta-ferramenta por meio de um

cabo e garantem que a presso aplicada pela ferramenta sobre a pea seja

constante e no processo de furao.

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Figura 3.3: Representao do ensaio de presso constante no processo de torneamento.

Fonte: Santos e Sales, 2007.

Figura 3.4: Representao do ensaio de presso constante no processo de furao.

Fonte: Santos e Sales, 2007.

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b) Ensaio de Faceamento Rpido

Neste ensaio, uma placa fixada ao torno, que gira em rotao constante. Ento

uma ferramenta de corte levada ao centro do disco, a ferramenta se desloca na

direo radial em direo ao permetro externo. Com o aumento do dimetro

torneado ocorre o aumento contnuo da velocidade de corte fazendo com que a

ferramenta perca a capacidade de corte devido ao desgaste acentuado. O momento

que ocorre esta perda facilmente identificado pela modificao brusca da

topografia da superfcie.

Os critrios de usinabilidade para classificar a ferramenta podem ser: o tempo

necessrio para o colapso da ferramenta, a distncia percorrida pela ferramenta ou

a velocidade crtica de corte.

Figura 3.5: Ensaio de faceamento rpido

Fonte: Santos e Sales, 2007.

3.2.2. Ensaios Absolutos

a) Ensaios de Torneamento cnico

Baseado no mesmo princpio do ensaio de faceamento rpido. Consiste no

torneamento do menor para o maior dimetro, com um avano constante de uma

pea de perfil cnico, dessa maneira, a velocidade de corte aumenta a uma taxa

constante.

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A partir de seus resultados, sabendo a velocidade de corte inicial, taxa de variao

da velocidade de corte, o tempo de usinagem e o desgaste de flanco da ferrramenta,

possvel determinar as constantes x e K da equao de Taylor, que relaciona a

vida da ferramenta de corte (T) com a velocidade de corte (V_C), levando-se em

considerao as propriedades do material atravs das constantes K e x,

dependentes do par pea-ferramenta.

Equao de Taylor: T=K.V_C^(-X)

b) Ensaio de Taxa de desgaste

Segundo Amorim (2002), este teste considerado o mais eficiente dos ensaios de

usinagem. Ele consiste no torneamento de corpos de prova, que ocorre intercalando

paradas em intervalos regulares para verificao do desgaste da ferramenta. Esse

procedimento repetido at que se constaste que o desgaste da ferramenta chegar

a um limite preestabelecido como o fim de vida da ferramenta. A norma ISO 3685

estabelece esses critrios.

Tabela 3.2: Critrios de fim de vida de ferramenta de corte

Parmetro Critrio

Desgaste de flanco mdio ( 0,3mm

Desgaste de flanco mximo ( 0,6 mm

Profundidade da cratera (KT) 0,06+0,3.f

Fonte: ISO 3685 (1993).

Esses parmetros podem ser obtidos com medies dos desgastes e esto

representados na figura 3.6 a seguir.

Figura 3.6: Grandezas de medies de desgaste

Fonte: Ferraresi (1970) (adaptado)

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O teste repetido com velocidades diferentes (no mnimo trs diferentes). Com os

dados de tempo de corte e do desgaste da ferramenta, confeccionado um grfico

de desgaste da ferramenta (V_B) em funo do tempo (T), como segue:

Figura 3.7: Grfico desgaste da ferramenta (Vb) X tempo (T),

Fonte: Santos e Sales, 2007 (apud ISO 3685, 1993)

O prximo passo calcular a vida da ferramenta (V_c) a partir da equao de Taylor

e plotar um grfico em escala logartmica da curva de vida da ferramenta (V_c) em

funo do tempo (T).

logT= logK-x.logV_C

No grfico obtido se pode observar uma tendncia de resultados, que se agrupam

em torno de uma reta, como se pode observar:

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Figura 3.8: Grfico Vb X T

Fonte: Santos e Sales, 2007

4. CONCLUSO

Tendo em vista a ampla gama de materiais existentes, assim como ferramentas para

modifica-los de suma importncia o estudo sobre a produo de peas. Os

ensaios de usinabilidade permitem que as trs partes interessadas, fabricantes de

materiais, fabricantes de ferramentas de corte e consumidores, possam crescer em

suas reas de atuao.

Com do conhecimento do material, pode-se ter ganhos enormes na produtividade

atravs do tempo de execuo, reduo de custos de fabricao, que pode ser feita,

por exemplo, pela maximizao da vida til da ferramenta. Tal fato garante a

viabilidade dos negcios e supri toda a cadeia produtiva, reduzindo os custos de

processos e com isso preo final dos produtos para o consumidor final. No outro

lado da cadeia, os fabricantes de ferramenta, diferente do que se pensava

inicialmente que o incremento na vida til reduziria a demanda por novas

ferramentas o que se v e o desenvolvimento de novas tcnicas de fabricao

destas ferramentas dando novas aplicaes e precises de acordo com as peas

que se pretende empregar. uma via de mo dupla, ao mesmo tempo que se

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aumenta a vida til, reduz se o custo da ferramenta e sua fabricao, a usinagem se

torna um processo de fabricao mais acessvel, podendo com isso clientes que no

tinham acessos a este processos hoje podem se munir deste melhorando seus

processos de fabricao.

5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

5.1. AMORIM, Heraldo Jos de. Estudo da relao entre velocidade de corte,

desgaste de ferramenta, rugosidade e foras de usinagem em torneamento

com ferramenta de metal duro. 2002. Dissertao (Mestrado em Engenharia)

Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2002.

5.2. FERRARESI, Dino. Usinagem dos metais: fundamentos da usinagem dos

metais. So Paulo: Blcher: USP, 1970.

5.3. ISO, 1993. Tool Life Testing with Single Point Turning, ISO 3685.

Machado, A., da Silva, M. B., 2000. Usinagem dos Metais, Apostila, DEEME

UFU.

5.4. Machado, A; Silva,M.B. Usinagem dos Metais. Universidade Federal de

Uberlndia, Abril , 2004.

5.5. MIILS, B; REDFORD, A. H., 1983. Machinability of Enggineering Materials,

Applied Science Publishers, London.

5.6. Milan, J. C. G., 1999. Usinabilidade de Aos para Moldes de Plstico,

Dissertao para a obteno do ttulo de mestre em engenharia mecnica,

UFU.

5.7. SANTOS, Sandro Cardoso; SALES, Wisley Falco. Aspectos Tribolgicos da

Usinagem dos Materiais. Artliber. 2007 .

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5.8. Strafford, K. N., Audy, J., 1997. Indirect Monitoring of Machinability in

Carbon Steels by Measurement of Cutting Forces, Journal of Materials

Processing Tehnology 67, pp150-156.

5.9. Trent, M. C., Wright, P. K., 2000. Metal cutting principles 4th edition,

Butterworth- Heinemann, USA.

5.10. Zatlin, N. Field, M., 1950. Evaluation of Rolled Steels, Forging and Cast

Irons, Machining Theory and Practice, USA.