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Um estudo realizado sobre a otimização do processo de afiação de brocas de corte em furação de perfis u, analisando novos tipos de afiação e ângulos de ponta. O objetivo é melhorar o método de afiação das brocas de aço-rápido revestidas com nitreto de titânio, comparando as características do processo atual e avaliando a variação dimensional, quantidade de material usinado, desgastes e vida útil das brocas.
Tipologia: Notas de estudo
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Trabalho de Conclusão de Estágio curricular como pressuposto parcial para obtenção de grau de Engenheiro Mecânico. Supervisor: Prof. Me. Eng. Juliano Marcon Oliveira
A Universidade de Caxias do Sul (UCS), e a todos os professores do curso de engenharia mecânica, os quais foram fundamentais para a minha formação acadêmica. Aos meus familiares, em especial minha mãe Walmi, minha irmã Morgana, e ao meu querido e sempre lembrado irmão Douglas, ao qual dedico este sonho realizado. A minha namorada Uiara, por tudo que fez nos momentos em que mais precisei de ajuda. Aos meus grandes amigos, que não irei listar aqui, mas que sabem muito bem quem são. E a todos aqueles que, de uma forma ou de outra, me ajudaram para esta conquista.
“Não é o mais forte que sobrevive, nem o mais inteligente, mas o que melhor de adapta às mudanças”. Charles Darwin
The study of this project was focused on analyzing and optimizing the sharpening high speed steel drill process in the drilling process of the U profiles, whose material is the steel LN38. Comparative tests were performed by subjecting the drills to the current sharpening tool process, which defaults edging type reduction of the cross angle bit σ = 118, as well as other types of sharpening the bit angles. Subsequently, we assessed the different types of wear among the six drills analysis, the holes dimensional variations processed by them, as well as the type of burr generated by each drill and mainly the performance, as the life of each drill rehearsed. As a result, it can be seen that the question of tool wear, it had not a big difference between the tested drills, given that the main limitation to a possible improvement in the process, is related to excessive vibration of the drilling rig, which was not measured, but is clearly noticeable. As to the dimensional variation, all holes processed by the six drills kept within the specified values by DIN 7168. The two main gains that were obtained in this project are related to the type of burr and the amount of processed holes, wherein the burr generated by the 140° drill angle bit is smaller than the burr generated by the 118° drill angle bit, reducing by 168% the time for the subsequent burrs removal. As the number of processed holes, it is achieved a 247% gain, since the drill with the best performance can process 497 holes on average, against 143 processed by the present sharpening drill process. The method of sharpening and the angle bit that showed this yield was the B3 drill, which was edged with the method of cross-grinding and keeping 140° angle bit.
Keywords: Machining. High Speed Steel. SharpeningTool. Drilling process.
Knowledge Areas: Mechanical Engineering. Materials. Manufacturing process.
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AlO Óxido de Alumínio APC Aresta postiça de corte CVD Deposição Química de Vapor d Diâmetro da broca DIN Deutsches Institut für Normung f Avanço HSS Aço-rápido IT-CA Instrução de Trabalho Caminhões e Chassis Agrale Kw Desgaste de cratera MQL Mínima Quantidade de Lubrirrefrigerante n Rotação NBR Norma Brasileira PVD Deposição Física de Vapor Ra Rugosidade média rε Raio de ponta TiC Carbeto de Titânio TiN Nitreto de Titânio TiCN Carbonitreto de Titânio TiNAl Nitreto de Titânio Alumínio Vb Desgaste de flanco Vbmax Desgaste de flanco máximo Vc Velocidade de corte Ve Velocidade efetiva Vf Velocidade de avanço α Ângulo de incidência β Ângulo de cunha γ Ângulo de saída μm Micrometro σ Ângulo da ponta da ferramenta σr Tensão de cisalhamento φ Ângulo do gume transversal
A usinagem pode ser definida como a operação que ao conferir à peça forma, dimensões e acabamento, produz cavaco, e por cavaco entende-se que é a porção de material da peça retirada pela ferramenta e caracterizada por apresentar forma geométrica irregular (MACHADO, et al. 2011). Os processos de usinagem que se destacam na indústria são: torneamento, fresamento, furação, alargamento, rosqueamento, mandrilamento, brochamento, retifica e brunimento. Dentre estes processos relacionados, o processo de furação se destaca por ser um dos mais utilizados na indústria automotiva, e atualmente cerca de 50% dos furos são processados com brocas helicoidais (CAVALCANTE, 2010). Com o desenvolvimento de novas ferramentas construídas com novos materiais, novas afiações e novos conceitos de construção geométrica, o processo de furação pode melhorar os níveis de qualidade e consequentemente reduzir o número de operações, o que influencia diretamente no tempo de processo e no custo de fabricação (DINIZ , MARCONDES, COPPINI, 2003). Visto isso, e constantemente visando melhorar seus processos de fabricação, indústrias fazem estudos de viabilidade técnica e econômica, a fim de melhorar seus processos em termos de qualidade, produtividade e redução de custos. E no que tange ao ramo da usinagem, estes estudos se fazem cada vez mais necessários, pois esta é uma área de atuação onde se tem muito a avançar na nossa região, visto que Caxias do Sul é um dos principais polos metal mecânico do país. Neste projeto foram realizadas análises do processo atual da afiação das brocas de aço-rápido revestidas com TiN, que são utilizadas na furação dos perfis “U” e, consequentemente, apresentada a proposta de melhoramento desse processo. A primeira etapa do projeto foi dividida em três fases: na primeira fase, uma breve apresentação da empresa onde o estágio foi realizado. A segunda fase contempla uma revisão teórica dos conceitos de usinagem e estudos já realizados para melhoramentos no processo de furação. E na terceira fase, a proposta deste projeto, relacionando as características atuais do processo, e os métodos de como os testes foram realizados, bem como quais os aspectos foram avaliados na comparação entre o processo atual e o proposto neste estudo.
A indústria metal-mecânica está sempre em busca de novas tecnologias e métodos para reduzir o custo final de produção, seja por meio da otimização dos processos, seja pela utilização de ferramentas com novas geometrias, revestimentos, máquinas mais modernas ou variação nos parâmetros de corte. O objetivo é sempre obter alta produtividade, um fator determinante para adquirir competitividade. (MOURA, MACHADO, 2014). Dentro da usinagem convencional, o processo de furação se destaca por ser um dos processos mais utilizados na indústria automotiva, e é de suma importância que se conheçam todas as variáveis envolvidas para se ter o melhor aproveitamento possível do processo. Atualmente, a variedade de produtos que a Agrale produz é consideravelmente alta, bem como a quantidade de perfis que são usinados e variações de furações (diâmetro e posição) que são executados. Por consequência disto, são gerados custos com as brocas utilizadas, tanto na aquisição, quanto na manutenção das mesmas. O processo de furação é realizado através de furadeiras de bancada manuais, utilizando como ferramenta de corte brocas helicoidais de aço-rápido (HSS), revestidas com nitreto de titânio (TiN). O processo de afiação das ferramentas é realizado de forma manual, sendo que a mesma é realizada quando o operador percebe um aumento na força de avanço para realizar o corte. Para este processo de afiação, está definido atualmente o tipo de afiação com redução do gume transversal, mantendo um ângulo de ponta de 118º. Porém, pelo fato de que a afiação é realizada de forma manual, e sem o auxílio de um equipamento para verificar o ângulo da ponta após a afiação, o rendimento das brocas acaba variando de acordo com operador. Visando isso, é que neste projeto foi realizado um estudo para a otimização do processo de afiação da ferramenta de corte, analisando novos tipos de afiações, bem como diferentes geometrias das brocas.
1.4.1 Objetivo Geral
Este projeto tem como objetivo melhorar o método de afiação das brocas de aço-rápido revestidas com Nitreto de Titânio no processo de furação dos perfis U, avaliando novos tipos de afiações e novos ângulos de ponta das brocas.
1.4.2 Objetivos Específicos
Para realizar este estudo, foram utilizados e coletados alguns dados a fim de comparar os processos de afiações propostos, tais como: a) analisar as características do processo atual; b) comparar a variação dimensional dos furos nos processos propostos; c) comparar a quantidade de material usinado nos processos propostos; d) comparar os desgastes das brocas nos processos propostos; e) comparar a vida útil das brocas nos processos propostos; e f) realizar a análise de custo dos processos avaliados.
Conforme a norma alemã DIN 8589, é definida como um processo de usinagem com movimento de corte circular, ou seja, com movimento rotativo principal. A ferramenta possui movimento de avanço apenas na direção do seu eixo de rotação, que mantém sua posição em relação à ferramenta e à peça (KÖNIG e KLOCKE, 1997). A furação com brocas é uma operação de desbaste. Nesta operação, devem- se levar em conta alguns fatores, tais como o diâmetro e a profundidade do furo usinado, as tolerâncias de forma e medidas, e os volumes de produção (STEMMER, 2005). O processo de furação é um dos processos de usinagem mais utilizados na indústria, utilizado para a obtenção de furos cilíndricos ou cônicos. É realizado por uma ferramenta denominada broca, podendo esta ser helicoidal, chata, canhão, de canal reto, dentre outras. Uma grande maioria destas furações são realizadas através de brocas helicoidais de aço-rápido (HSS), devendo esse processo garantir uma determinada qualidade superficial e tolerância dimensional, para evitar problemas que impactem na produtividade e qualidade final dos produtos. A Figura 2 mostra algumas variáveis do processo de furação.
Figura 2 - Movimentos de corte na furação
Fonte: Stemmer (2005)
2.3 PARÂMETROS DA MECÂNICA DO CORTE
Para se ter um melhor aproveitamento do processo de furação, os parâmetros de corte devem ser bem avaliados e definidos. Tais parâmetros estão
relacionados com alguns fatores que serão em seguida melhor detalhados, como, por exemplo, material a ser usinado e condições do processo. A Figura 3 mostra também os principais movimentos relacionados com a mecânica do corte do processo de furação.
Figura 3 - Direções dos movimentos de corte na furação
Fonte: Stemmer (1995)
Onde:
Vc: velocidade de corte, [m/min]; Ve: velocidade efetiva, [m/min]; Vf: velocidade de avanço, [m/min]; θ: ângulo da ponta da ferramenta, [º]; e η: ângulo da direção efetiva, [º].
Dentre estes elementos, serão abordados em seguida os parâmetros de velocidade de corte e velocidade de avanço.
2.3.1 Velocidade de Corte
A velocidade de corte (Vc) é a velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante da ferramenta, segundo a direção e o sentido de corte, e é calculada de acordo com a fórmula da equação 01 (MACHADO, et al. 2011). A velocidade de corte tem grande influência sobre o desgaste e, consequentemente, sobre a vida da ferramenta. Para as condições mais difíceis de usinagem, as velocidades de corte recomendadas para as brocas são
