Comparação entre CBN e cerâmica no torneamento de ferro fundido cinzento
A presente pesquisa visa avaliar a confiabilidade no torneamento de ferro fundido cinzento com o uso de ferramentas cerâmica e de CBN para identificar qual das duas possui o melhor comportamento em relação ao processo. Para as características do processo de usinagem da empresa estudada, a ferramenta de CBN teve melhor comportamento em relação à cerâmica quanto ao número de peças por aresta; estabilidade em relação à rugosidade mantendo a média abaixo da tolerância; melhores indicadores de desempenho como Ppk e PPM; e melhor correlação entre o desgaste da ferramenta e aumento da rugosidade. O que possibilita aumento de produtividade e confiabilidade no processo.
Autor(es): I. Correr e W. D. Adame
No inicios da era da industrialização, ser competitivo dependia de sua capacidade de produção.Naquela época não havia necessidade de uma grande diversificação de produtos, mas sim uma grande quantidade para atender à grande massa de consumidores.
O cenário atual é totalmente inverso, uma vez que consumidores cada vez mais exigentes procuram grande diversificação de produtos, modelos e formas, o que gera um aumento da competitividade. As empresas visam à modernização de equipamentos e a formas de produção que tragam aumento de produtividade, redução de custos e resultem em uma melhor eficiência em toda cadeia produtiva[2].
Os setores de manufatura são os mais afetados e pressionados pelas mudanças causadas pela dinâmica evolução da concorrência. Esta cria desafios cada vez maiores, para atender a uma sociedade mais globalizada[8] .
Segundo Machado et al[10], cerca de 20 a 30% do PIB de um País desenvolvido é composto por produtos e bens manufaturados e, dentre estes processos, encontra-se a usinagem. Segundo Ferraresi[6], ela se caracteriza como qualquer operação que visa conferir forma e dimensão a uma determinada peça, por meio da retirada de cavaco pela ferramenta.
Dentre os tipos de usinagem existentes, um dos mais empregados é o torneamento. E, para a obtenção de acabamento e dimensões finais em peças, o torneamento radial é o que mais se aplica[6].
Com o aumento da diversificação de produtos (lotes menores), da necessidade constante de se obter os melhores resultados, com o menor tempo e menor custo, as empresas buscam suporte na tecnologia de ferramentas, que atualmente desenvolve inúmeros ferramentais com compostos de materiais específi cos para cada situação, material, parâmetros de programação, dentre outros.
Neste cenário de diversificação de ferramentas, é necessário conhe-
Figura 1 – Propriedades do metal duro, cermet e cerâmica[12]
cer o comportamento de cada ferramenta, e o controle de processo é o método mais utilizado. Conforme Slack, Chambers e Johnston[14], controlar o processo traz mais benefícios, pois as características do produto estão sendo controladas durante sua concepção. A descoberta após o produto estar pronto pode causar um grande transtorno.
Portanto, o presente projeto visa avaliar o comportamento e a confiabilidade no processo de usinagem em operação de torneamento de ferro fundido cinzento com o uso de dois tipos de compostos de ferramenta (cerâmica e nitreto cúbico de boro - CBN). Ele tem como objetivos específicos verificar as condições das peças torneadas controlando características dimensionais (rugosidade), diretamente afetadas pelo ferramental utilizado; checar a capacidade produtiva de cada aresta das ferramentas; confrontar os dados; e avaliar os resultados entre as ferramentas utilizadas no experimento a fim de identificar a que apresenta o melhor comportamento em relação à rugosidade.
As ferramentas são os instrumentos mais antigos usados pelo homem para dar suplemento à sua força manual, permitindo-lhe realizar tarefas especiais independentemente do material. O ponto de maior ênfase nesta história de transformação e evolução das ferramentas foi quando, mesmo que acidentalmente, conseguiu-se a extração do ferro em seu minério e, após isso, houve a obtenção do aço[6].
Durante séculos de pesquisa e trabalho, muitos materiais foram desenvolvidos a fim de melhorar o desempenho das ferramentas nos mais diversos processos de usinagem. Para Diniz, Marcondes e Coppini[2] e Ferraresi[6] , a escolha correta do material de ferramenta a ser usado deve levar em conta os seguintes fatores: material a ser usinado; processo de usinagem; condição da máquina operatriz; forma e dimensão da ferramenta; custo do material da ferramenta; condições de usinagem; e condições da operação.
Para Diniz, Marcondes e Coppini[2], além das características mencionadas anteriormente, a ferramenta escolhida deve também atender aos seguintes requisitos: dureza a quente; resistência ao desgaste; tenacidade; e estabilidade química; conforme mostra a figura 1. Para uma correta decisão sobre qual material de ferramenta usar, deve-se levar em consideração as propriedades de cada ferramenta existente no mercado, bem como saber onde e como estas propriedades serão exigidas em um processo, mas o grande número de ferramentas disponíveis no mercado difi culta esta escolha. A ferramenta ideal seria aquela com a dureza do diamante puro, a tenacidade do metal duro, e a estabilidade química da cerâmica de alumina, mas este material ainda não foi desenvolvido. Deve-se também levar em conta a vida útil de uma ferramenta bem como seu comportamento em relação a dimensões específicas, seu desempenho previsível e o custo do material[10].
Dentre os diferentes tipos de composição para os materiais de ferramentas existentes no mercado, serão apresentados no presente estudo o comportamento e as características das ferramentas de material cerâmico e a de CBN.
Segundo Diniz, Marcondes e Coppini[2], o material cerâmico aparece por volta dos anos 50 em algumas literaturas, mas tem sua maior participação a partir dos anos 80, quando grandes pesquisas e avanços o trouxeram para o mercado. As cerâmicas são mais utilizadas nos processos em que são necessárias ferramentas com alta dureza e resistência ao desgaste. A ferramenta de cerâmica à base de alumina tem excelente inércia química quando aplicada em materiais ferrosos, porém, não apresentam tenacidade suficiente para ser usada em aços-carbono e de baixa liga[10].
Ainda segundo Diniz, Marcondes e Coppini[2], o material cerâmico traz grandes benefícios em sua aplicação, tais como dureza a quente e a frio, resistência ao desgaste e ótima estabilidade química. No entanto, ele tem seu revés no que se refere à condutividade térmica, que dificulta a transferência de calor entre cavaco-ferramenta e peça-ferramenta e baixa tenacidade, o que facilita o surgimento de trincas.
Divididas entre óxidos e monóxidos, as ferramentas de material cerâmico podem ser encontradas em grupos como o da alumina. Esta pode ser reforçada com zircônio, o que lhe confere ótima estabilidade química, entretanto, não apresenta resultados tão bons para tenacidade e dureza a quente, muito menos para resistência ao choque térmico.
A alumina mista mostra melhor desempenho entre dureza a quente e estabilidade química que as puras, porém, na tenacidade também não tem resultados expressivos. Por isso são recomendadas para acabamento em aços endurecidos, nos quais a dureza a quente e a estabilidade química são exigidas mais que a tenacidade.
Já a alumina reforçada com carbeto de silício (SiC), conhecida como Sialon, apresenta ótima dureza a quente, alta resistência ao choque térmico e boa tenacidade, com uma estabilidade química muito ruim. É mais indicada para usinagem em desbaste do ferro fundido, quando a formação do cavaco curto não exige muita estabilidade química por parte da ferramenta, mas resistência ao choque térmico, dureza a quente e tenacidade são essenciais[2].
Figura 2 – Usinagem durante os testes
Segundo Diniz, Marcondes e Coppini[2], o CBN é um material quimicamente mais estável que o diamante e tem tenacidade semelhante à do material cerâmico à base de nitretos. Além disso, é duas vezes mais tenaz que a alumina.
Vários tipos de CBN existem no mercado, com diferentes materiais e quantidades de aglomerantes, porém, de maneira geral, pode-se dividir o CBN em duas categorias: CBN para desbaste, no qual o ap (profundidade de penetração da ferramenta na peça) é entre 0,5 e 0,8 mm e CBN para acabamento, no qual ap é menor que 0,5 mm[2].
Em operações de acabamento, quando se tem uma pequena massa de cavaco gerada, o calor do processo de usinagem é muito absorvido pela ferramenta, o que faz com que propriedades presentes no CBN como estabilidade química e térmica sejam altamente exigidas. Mesmo que o CBN tenha menor tenacidade e dureza, estas propriedades ainda são suficientes para manter bom acabamento superficial e tolerâncias apertadas ao longo do desgaste da ferramenta.
Em geral, para Diniz, Marcondes e Coppini[2] e Machado et al[10], o CBN pode ser usado em quase todos os tipos de usinagem aplicados na engenharia de hoje. Ele substitui muito bem o diamante que, na usinagem de ferrosos, corre o risco de voltar ao estado da grafita quando submetido a temperaturas elevadas, e também o metal duro, quando se exige altas velocidades de corte ou dureza elevada. No entanto, para ambos os casos, o que impede o emprego do CBN como ferramenta é seu alto custo, que deve ser reduzido, segundo Machado et al[10], tão logo as empresas adquiram domínio sobre sua técnica de obtenção.
Os principais parâmetros de usinagem são[2]:
velocidade de corte (v c ) – na operação de torneamento é a velocidade tangencial, resultado da rotação da ferramenta em torno da peça usinada;
avanço (f) – percurso/distância que a ferramenta percorre a cada volta;
profundidade de penetração (ap ) da ferramenta na peça ou profundidade de usinagem;
vida útil – tempo de uso de uma ferramenta até que a mesma perca suas capacidades de corte.
Diniz[3] define rugosidade como ranhuras ou sulcos deixados na superfície pela forma da ferramenta e pelo avanço empregado na usinagem da peça. Segundo Santos e Sales [12], ela pode ser relacionada ao desempenho de um produto e estabelecer relação com a capacidade de um processo no que diz respeito a padrões de qualidade. A rugosidade média (R a) pode ser defi nida como a média entre os pontos e a linha de centro ao longo de um comprimento de medição [12].
Confiabilidade/estabilidade
Consumidores procuram produtos que funcionem conforme o apresentado, por isso, falhas ou defeitos podem causar grandes consequências e insatisfação por parte dos clientes, além do aumento
dos custos com garantia, bem como uma degradação da marca. A confiabilidade é inerente ao produto e deve estar inserida no processo de fabricação[5].
Segundo Paranhos Filho[7], a estabilidade do processo e o aprimoramento tem como objetivo a redução das variabilidades e contribuem para bons índices de qualidade. Para Ryan[11], consumidores e fornecedores estão interessados na confiabilidade dos produtos, que é dada pela capacidade de um produto funcionar e satisfazer as necessidades até o fi nal de seu ciclo de vida ou tempo de uso. Quando um estudo de confiabilidade é realizado, os resultados obtidos dão uma clara visão sobre o funcionamento de um produto após determinado tempo de uso em determinadas operações.
A confiabilidade também pode ser expressada por indicadores como, por exemplo, uma taxa percentual de falha após tempo de uso do produto ou pelo número de defeito por milhão (PPM) de peças produzidas. Com maior frequência, o controle do processo é visto como método conveniente para se aumentar a vantagem competitiva.
Melhores capabilidades de processo, porém, não são fáceis de atingir nem tampouco de se copiar. Altos índices são atingidos com muito esforço e dedicação ao conhecimento e controle do processo, por isso, com uma boa capabilidade de
processo se tem uma boa vantagem competitiva[14].
Para Slack, Chambers e Johnston[14], um processo capaz é aquele que varia dentro de uma faixa aceitável. A maneira mais simples de se medir essa capacidade é por meio do C p, que é dado pela razão entre a faixa da especificação e a variação do processo, ou seja, ±3 de desvios padrão.
Para Seleme [13] , a análise estatística que tem base nos dados é capaz de oferecer informações e previsões sobre o processo não conforme ou sobre uma falha futura. Os autores também apresentam a pesquisa experimental, que é realizada em condições controladas e permite ao executor que as ocorrências sejam avaliadas.
Para Seleme[13], várias ferramentas são utilizadas na avaliação do processo a fim de direcionar para três aspectos básicos: Cliente; Produto e Processo de fabricação. A estabilidade, a competência e a normalidade de um processo também devem ser avaliadas.Neste caso, a estabilidade indica se o processo se mantém sob controle; a normalidade mostra se as características amostrais seguem uma distribuição normal prevista estatisticamente e, por fim, a competência de um processo se refere à sua capacidade em atender as especificações exigidas. Esta última avaliação gera uma previsão de valores futuros.
Por isso, ao controlar o processo, se busca constantemente a satisfação dos clientes internos ou externos, e se garante a qualidade e a conformidade dos produtos processados. Além disso, podem
Figura 3 – Resultados ferramenta de cerâmica (ensaio 1)
ser obtidas informações muito importantes para o desenvolvimento e o aperfeiçoamento dos processos já existentes, como também de novos
Figura 4 – Comportamento dos valores da ferramenta de cerâmica (ensaio 1)
Figura 5 – Correlação da ferramenta de cerâmica (ensaio 1)
processos. Controlar um processo auxilia na detecção de problemas na produção, mesmo antes que eles ocorram, e também servem de base para melhorias em toda cadeia produtiva, otimizando tempos, aumentando a produtividade e a capacidade do processo[9].
Índices de capacidade do processo comparam comportamentos e produtos em relação às suas especificações. Altos valores indicam o quão capaz de produzir produtos conforme especifi cação um processo é, além do que, com um processo estável, pode-se usar esses índices para obter informações de como será o desempenho dele futuramente [15].
Podemos também usar indicadores de capacidade de processo quando mudanças são feitas nestes. Por meio deles, podem ser comparados valores e índices antes e depois da mudança realizada, podendo ser tomadas decisões baseadas nestas informações[15]. A estabilidade também é um fator importante, pois se um processo é estável em um tempo conhecido, presume-se que também será estável em um tempo futuro[15].
Down et al [4] definem os índices de análise conforme tabela 1 (pág. 48).
A correlação entre duas variáveis, tendo como referência o par ordenado no qual são registrados dois valores, também pode ser usada como ferramenta de análise da capacidade do processo. Um dos valores é apresentado no eixo X e outro no eixo Y. O objetivo desta distribuição é saber se quando os valores do eixo X aumentam os valores de Y também sofrem a mesma alteração ou se comportam de forma diferente[1].
Esta correlação é definida como forte ou fraca de acordo com o resultado do seu coeficiente, que varia entre 1 e -1. Assim, quando um valor de coeficiente está próximo de 1 (positivo) ou -1 (negativo), a
Figura 6 – Resultados da ferramenta de CBN (ensaio 2)
correlação é considerada forte. Do mesmo modo, quando o coeficiente é um valor próximo de 0, temos uma correlação fraca[1].
Figura 7 – Comportamento dos valores ferramenta de CBN (ensaio 2)
Figura 8 – Correlação da ferramenta de CBN (ensaio 2)
O estudo de caso foi realizado em uma empresa do ramo automotivo, situada na região de Campinas, e que atualmente conta com aproximadamente 350 funcionários diretos. Os ensaios foram realizados em um centro de torneamento vertical Okuma, modelo 2SP-V40, no qual foram usinados discos de freios fabricados em ferro fundido cinzento com matriz perlítica tipo A predominante (figura 2, pág. 46).
Para o controle da rugosidade, parâmetro definido como referência para o desempenho das ferramentas testadas, a medição foi realizada em um rugosímetro Mahr, modelo Perthometer M2, sob os parâmetros: Lt 12,5 mm (comprimento); λc 2.500 x 5 de resolução 0,001 μm (cut-off). Os dados foram analisados no software estatístico Minitab e também no Microsoft Office Excel 2007.
A tabela 2 (pág. 48), apresenta os parâmetros de usinagem utilizados para os ensaios (velocidade de corte, avanço e profundidade) bem como as características das ferramentas (cerâmica e CBN).
Conforme a tabela 2, foram utilizados para os ensaios 1 e 2 os mesmos parâmetros para a usinagem com a ferramenta de cerâmica e CBN, e o ensaio 3 foi realizado com a ferramenta de CBN seguindo parâmetros definidos pelo fabricante.
Em todos os ensaios, foi controlada a rugosidade nas 60 primeiras peças, e, nas demais peças, ela foi controlada de forma aleatória até que se atingisse o valor máximo especificado de Ra = 4 μm.
Como já mencionado, o estudo foi dividido em três etapas. Na primeira etapa (ensaio 1), foram usinadas peças com a ferramenta de cerâmica SNGN 120412 - LX 21 da fabricante Tungaloy, sob os parâmetros de corte: vc = 500 rpm; f = 0,35 mm/
Figura 9 – Resultados da ferramenta de CBN (ensaio 3)
rot; e ap = 0,75 mm. Com estes parâmetros, a vida útil da ferramenta foi de 60 peças por aresta, atingindo os valores de rugosidade máximos, detectados durante os ensaios. Sob as mesmas condições de usinagem, o ensaio se deu também com a ferramenta de CBN SNMN 120412 – T-S CBN 7800, da fabricante Ceramtec (ensaio 2). Foram usinadas 160 peças, das quais as 60 primeiras peças tiveram a rugosidade 100% dimensionada. Deste ponto em diante foi acompanhado o desempenho da ferramenta e controlada a rugosidade com frequência intercalada até que a ferramenta conseguisse manter a especificação desejada.
Por fim, foi realizado ensaio com a ferramenta de CBN (ensaio 3), agora com os parâmetros definidos pela fabricante da ferramenta que, em relação aos testes anteriores, alterou vc para 1.000 rpm e f para 0,4 mm/rot, enquanto a profundidade da usinagem foi mantida. Com estes novos parâmetros foram usinadas 210 peças com uma única aresta de corte, mantendo-se a rugosidade dentro dos limites de especificação.
A figura 3 (pág. 50) apresenta os resultados do ensaio 1 (ferramenta de cerâmica; vc =500 rpm; f = 0,35 mm/rot e ap = 0,7 mm) relacionando-os com a distribuição da rugosidade durante as medições, valores de Ppk, PPM e desvio padrão.
Como pode ser observado, ao usinar 60 peças com a mesma aresta, obteve-se uma condição na qual a rugosidade apresenta valor médio de 2,875 μm, com os valores iniciando em um faixa, passando por um período de queda, assumindo uma estabilidade e, após um período, elevando-se novamente para atingir valores acima do especificado (figura 4, pág. 50). Neste ensaio foi observado que não houve correlação entre o desgaste da ferramenta e o aumento da rugosidade (figura 5, pág. 50).
A figura 6 (pág. 52) apresenta o ensaio 2 (ferramenta de CBN com parâmetros de corte: vc = 500 rpm; f = 0,35 mm/rot e ap = 0,7 mm) relacionados à distribuição da rugosidade durante as medições, valores de Ppk, PPM e desvio padrão.
Como pode ser observado no ensaio 2, ao usinarmos 60 peças com a mesma aresta, chegamos a uma condição na qual a rugosidade apresenta valor médio de 2,294 μm. Este comportamento difere do ensaio 1, pois inicia com valores crescentes, tem um pico, inicia um período de queda, assume estabilidade e após um período retorna a subir. No entanto, não assume valores acima do especificado (figura 7, pág. 52) não estabelecendo também correlação entre o desgaste da ferramenta e o aumento da rugosidade (fi gura 8, pág. 52).
A figura 9 (pág. 54) apresenta os resultados do ensaio 3 (ferra-
Figura 10 – Comportamento dos valores ferramenta de CBN (ensaio 3)
Figura 11 – Correlação da ferramenta de CBN (ensaio 3)
menta de CBN com parâmetros de usinagem: vc = 1.000 rpm, f = 0,4 mm/rot e ap = 0,7 mm) relacionados à distribuição da
rugosidade durante as medições, os valores de Ppk, PPM e desvio padrão.
Diferente dos ensaios anteriores, pode ser observado que, no ensaio 3, ao serem usinadas 60 peças com a mesma aresta, chegou-se a uma condição na qual a rugosidade apresenta valor médio de 1,803 μm. Como apresentado na figura 10 (pág. 55), os valores de rugosidade começam baixos e vão crescendo de acordo com o desgaste da ferramenta, e não assumem valores acima do especificado. Neste caso, como apresentado na figura 11 (pág. 55), ocorre correlação entre o desgaste da ferramenta e o aumento da rugosidade.
A tabela 3 apresenta os resultados obtidos nos ensaios realizados.
No ensaio 1, o índice de capabilidade do processo (Ppk) foi de 0,60, o índice de peças não conformes (PPM) foi de 35354,96 – o que corresponde a uma projeção de 0,35% do lote de peças produzidas com a rugosidade acima da tolerância especificada –, e a correlação muito fraca (R2 = 0,1279). Esses valores classificaram este processo como não capaz.
O ensaio 2 apresentou o índice de capabilidade de processo (Ppk) de 1,43; índice de peças não conformes (PPM) de 8,75 – o que projeta 0,00000875% do lote de peças produzidas com a rugosidade acima da tolerância especificada –, e correlação muito fraca (R2 = 0,0005). De acordo com estes dados, podemos classifi car este processo como capaz, porém, sem nenhuma correlação entre o aumento da rugosidade e o desgaste da ferramenta.
Já para o ensaio 3, o índice de capabilidade (Ppk) do processo atingido foi de 1,41 e o índice de peças não conformes (PPM), de 11,43 – o que representa uma projeção de 0,00001143% de peças produzidas em um lote acima da tolerância especificada. Com o melhor índice de correlação (R2 = 0,9478), é possível classificar, sem ressalvas, este processo como capaz.
De acordo com os dados apresentados, para as características do processo de usinagem da empresa estudada, a escolha de ferramentas de CBN tem melhor comportamento em relação à de cerâmica. Essa avaliação tem como base o seu desempenho em relação a: número de peças por aresta; estabilidade em relação à rugosidade, mantendo a média abaixo da tolerância; melhores índices de capabilidade do processo e desempenho como Ppk e PPM; correlação entre o desgaste da ferramenta e aumento da rugosidade.
Todas essas características formam um conjunto de informações que possibilita à empresa definir o melhor processo de usinagem a ser utilizado, visando o aumento de produtividade e a confiabilidade do seu processo.
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Fresamento do revestimento eletrolítico de níquel em chapas de cobre para fundição de aço
Este estudo abordou o conhecimento sobre a usinagem de cobre e níquel, materiais de difícil usinabilidade. Fundamentos e conhecimentos teóricos e práticos do processo de usinagem de placas de cobre revestidas de níquel para uso em fundição de aço, incluindo características e informações básicas sobre os materiais; o tipo e a forma dos cavacos e sua relação com o avanço e a influência dos parâmetros de usinagem na qualidade das superfícies usinadas foram abordados. Amostras dos cavacos passaram pelo procedimento de caracterização microestrutural metalográfica e foram analisados o ciclo de usinagem das placas niqueladas, sua rugosidade e sua dureza. Uma alteração na trajetória da ferramenta propiciou um ganho de tempo de fabricação.
Formação de cavaco e microdureza da peça no fresamento do aço VP100
Este trabalho quantificou o efeito da velocidade de corte, do avanço por dente, da profundidade de usinagem e da estratégia de fresamento no processo de formação de cavaco e na microdureza subsuperficial do aço VP100. Os ensaios foram conduzidos em um centro de usinagem sem aplicação de fluido de corte. Os resultados mostraram que a microdureza da peça após a usinagem é insensível aos parâmetros de corte e à estratégia de usinagem, mas o grau de segmentação e de recalque foram influenciados pelo avanço por dente. A velocidade de corte influiu no ângulo de deformação da microestrutura do cavaco. O pré-endurecimento do material favoreceu o processo de cisalhamento adiabático na formação do cavaco e, consequentemente, na segmentação das lamelas. Assim, o calor foi dissipado junto ao cavaco e não influenciou termicamente a peça. O pré-endurecimento também restringiu as deformações superficiais mais significativas da peça, evitando o aumento estatístico de microdureza por efeito mecânico.
Desgaste dos dentes de metal duro no amaciamento da serra de fita para corte de aço
O processo de amaciamento da serra de fita é considerado maçante e demorado, mas inevitável no atual estágio de conhecimento. Um projeto conjunto de pesquisa visa suprimir essa etapa por meio de um processo adequado de preparação das arestas de corte.