Classificação e Aplicação de Ferramentas

Projeto 1: Classificação e aplicação de ferramentas

Luís Eduardo Estácio dos Reis

RA 414824

Aluno Pedro de Campos Muradas Cerântola

RA 559202

Aluno Luiz Felipe Ferreira Neto

RA 559245

Engenharia Mecânica, UFSCar

Resumo. O presente trabalho visa fornecer uma matriz de seleção de materiais para ferramenta de corte no contexto do processo de furação de alumínio. Os materiais analisados foram baseados em um catálogo da empresa Sandvik e nomeados segundo a norma ISO 513, que dispõe sobre o tema deste excerto. Escolheu-se cinco materiais diferentes e cinco propriedades mecânicas desejáveis, além do preço, para a construção da referida matriz.

Palavras-chave: Furação. Alumínio. Ferramenta de corte. Matriz de seleção. Tenacidade. Resistência a choque térmico. Dureza a quente. Estabilidade química. Resistência ao desgaste. N20. N10. N15.

1. Introdução

No contexto de usinagem, reconhece-se a grande importância – tanto em rendimento financeiro para a indústria quanto em qualidade do produto final – da ferramenta de corte. A variedade dos materiais e métodos utilizados na indústria atualmente, no entanto, dificulta cada vez mais a escolha desse instrumental.

Especificamente, falemos de usinagem de metais: as variações tanto de propriedades quanto de exemplares desses materiais são quase infinitas. Assim, recorre-se, para a criação de uma matriz de seleção de ferramentas de corte, a uma bibliografia já bem estabelecida e validada de engenharia, bem como ao cruzamento de informações, experiências e prioridades – conjunto este que define o engenheiro moderno como necessariamente holístico.

Neste espectro, segundo Machado et al. (2015), “(…) as diversas propriedades mecânicas dos materiais devem ser conhecidas, mas o engenheiro deve ter conhecimento suficiente para destacar as mais importantes, em função da aplicação a qual se destina o material”. Dito isso, dentre as propriedades mecânicas “clássicas” (dureza, ductilidade, resiliência, tenacidade, resistência à fadiga, condutibilidade térmica, estabilidade química, módulo de elasticidade, etc.) os autores acharam por bem, fazendo considerações (explicadas a posteriori) quanto à aplicação da ferramenta de corte em furação de alumínio, reduzir os materiais apenas à análise de tenacidade, resistência ao choque térmico, dureza a quente, estabilidade química e resistência ao desgaste.

Tais propriedades acabam por influenciar diretamente nos parâmetros de corte dos processos. Considerando-se, aqui, uma qualidade-alvo mínima desejada de acabamento e precisão dimensional, os parâmetros de corte mais importante devem ser a velocidade de corte e a velocidade de avanço: estes definem a eficiência e produtividade do processo de usinagem. Deve-se, então, escolher uma ferramenta que permita, na medida do possível, elevadas velocidades de corte e avanço, sem prejuízos significativos à vida útil da ferramenta e considerando outros aspectos financeiros, como o preço relativo das máquinas e materiais utilizados.

Deseja-se, no caso aqui analisado, furar alumínio. É necessário então que se conheça as propriedades do alumínio e suas ligas. Segundo Callister (2012), estes materiais são caracterizados por uma massa específica relativamente baixa (aproximadamente 2,7 g/cm³), condutividade elétrica e térmica elevadas, resistência à corrosão e elevada ductilidade; por outro lado, o ponto de fusão desses materiais é geralmente baixo (em torno de 660 ºC) o que dificulta muitas aplicações em usinagem.

Espera-se contribuir com a equalização de todas as questões até agora apresentadas, fornecendo um método simples de escolha de material para ferramenta de corte nessa operação em particular.

1. Materiais, métodos e modelagem matemática

Segundo Machado et al. (2015), as seguintes são as principais propriedades desejáveis em um material para ferramenta de corte: alta dureza, tenacidade suficiente para evitar falha por fratura, alta resistência ao desgaste abrasivo, à compressão, ao cisalhamento, ao choque térmico e ao impacto, boas propriedades mecânicas e térmicas em temperaturas elevadas e ser inerte quimicamente. É uma obviedade o fato de que ainda não existe um material que reúna todas essas propriedades citadas; assim, é importante que sejam selecionadas as mais importantes, de forma criteriosa, a ponto de não haver maiores prejuízos no processo.

Considerando as circunstâncias, como definido previamente, as propriedades escolhidas para a análise de viabilidade dos materiais para aplicação em ferramenta de corte para furação de alumínio são as seguintes: tenacidade, resistência ao choque térmico, dureza a quente, estabilidade química e resistência ao desgaste. Será incluída também à tabela a variável preço, que, por motivos de comparação em relação às propriedades mecânicas, será considerado como fator mais importante.

Para eleger as classes de ferramenta para a furação de alumínio, consultou-se o catálogo Sandvik Coromant – Ferramentas Para Usinagem e, a partir das sugestões de classes usualmente utilizadas para a furação de metais não ferrosos, selecionou-se cinco classes candidatas de metal duro: N20C (HC), GC1220 (HC), N20D (HC), K20 (HC), e H10F (HW). Segundo a norma ISO 513:2013, as classes citadas podem ser nomeadas, respectivamente, como N20, N10, N20, N15 e N20.

É importante o fato de que a furação é muitas vezes uma operação de corte interrompida. Segundo Machado et al. (2015), este fato faz com que sejam necessários materiais com grande tenacidade para suportar os choques referentes ao processo. Isso gera, no entanto, um impasse: em geral, dureza e tenacidade são propriedades inversamente proporcionais. Como alta dureza é outra propriedade desejável à ferramenta de corte, há de se chegar em um equilíbrio entre as duas características.

Outro fator que deve ser levado em conta é a temperatura de trabalho da ferramenta. Na furação, em não havendo fluido refrigerante, este fator pode se tornar um problema: a temperatura recoze o material da ferramenta ou funde as camadas mais superficiais da peça usinada, o que pode provocar adesão de pequenas partículas na broca, reduzindo sua vida útil, e/ou dificuldades dimensionais no processo. Assim, é preciso que se leve em conta gráficos como o da figura 1: