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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA
DISCIPLINA: PROJETO FINAL I
AVALIAÇÃO DE ÓLEOS DE CORTE NA FURAÇÃO PROFUNDA DO AÇO 42CrMo4 MODIFICADO
CURITIBA
SETEMBRO 2002
AVALIAÇÃO DE ÓLEOS DE CORTE NA FURAÇÃO PROFUNDA DO AÇO 42CrMo4 MODIFICADO
i
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA
DISCIPLINA: PROJETO FINAL II
AVALIAÇÃO DO ÓLEO DE CORTE INTEGRAL COM ADITIVAÇÃO DE ÉSTER NA FURAÇÃO PROFUNDA
DO AÇO 42CrMo4 MODIFICADO
ALLAN P. G. DI MELO
DANIEL DELFINO
MARCIO SERAFIM
CURITIBA
SETEMBRO 2002
ii
EQUIPE TÉCNICA
Engenheirandos:
ALLAN P. G. DI MELO
DANIEL DELFINO
MÁRCIO SERAFIM
Orientador Técnico:
Eng. Antonio Souza Neves
Professor Orientador:
Prof. Dr. Neri Volpato
iii
SUMÁRIO
LISTAS DE FIGURAS ______________________________________________ v
LISTA DE TABELAS ______________________________________________ vii
RESUMO _______________________________________________________ viii
1. INTRODUÇÃO _________________________________________________ 1
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ____________________________________ 6
2.1. Fluidos de Corte _____________________________________________ 6
2.2. Os Tipos de Fluidos de corte ____________________________________ 7
2.2.1. Óleos de Corte Integrais _____________________________________ 7
2.3. Ação de agentes de extrema pressão ____________________________ 11
2.3.1. Enxofre como agente de Extrema Pressão _____________________ 11
2.3.2. Cloro como agente de Extrema Pressão _______________________ 12
2.3.3. Fósforo como Aditivo extrema pressão/anti-desgaste _____________ 12
2.3.4. Éster como aditivo de extrema pressão ________________________ 13
2.4. Propriedades e Funções dos Fluidos Integrais de Corte ______________ 14
2.4.1. A propriedade lubrificante dos óleos integrais de corte ____________ 17
2.4.2. A propriedade refrigerante dos óleos de corte ___________________ 18
2.5. A atuaçäo do óleo de corte na formação do cavaco _________________ 20
2.6. Cuidados com armazenamento e manuseio _______________________ 22
2.7. Furação Profunda ____________________________________________ 23
3. PLANO DE TRABALHO _________________________________________ 28
3.1. Metodologia utilizada na coleta de dados. _________________________ 30
3.2. Cronograma do Projeto _______________________________________ 36
3.3. Recursos Necessários ________________________________________ 37
4. SISTEMAS DE INFORMAÇÕES __________________________________ 38
4.1. Check list __________________________________________________ 38
4.3. Cálculo para obtenção da Vazão de óleo pelo canal da broca: _______ Erro!
Indicador não definido.
5. CONCLUSÃO - AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS ____________________ 40
6. BIBLIOGRAFIA _______________________________________________ 50
iv
7. Anexos 1 – Especificações técnicas dos óleos em testes _______________ 52
8. Anexo 2 – Teoria de Capabilidade de processo. ______________________ 54
9. Anexo 3 – Tipos de guias de broca canhão __________________________ 63
10. Anexo 4 – Planilha com os valores de desgaste ______________________ 66
11. Anexo 5 – Cronograma do projeto _________________________________ 68
12. Anexo 6 – Planilha com diário de bordo_____________________________ 69
13. Anexo 7 – Laudo de irritabilidade do Ecocut 610B – Fuchs ______________ 71
14. Anexo 8 – FISP – Fuchs ________________________________________ 73
15. Anexo 9 – Carta CEP do Ry do furo de alta pressão ___________________ 75
16. Anexo 10 – Relatório dimensional do Ø2,510 da bucha guia ____________ 77
17. Anexo 11 – Relatório dimensional do Ø2,520 da bucha guia ____________ 78
18. Anexo 12 – Relatório dimensional do Ø2,508 da bucha guia ____________ 79
19. Anexo 13 – Planilha custo beneficio Fuchs x Shell e Fuchs x Yushiro ___ Erro!
Indicador não definido.
v
LISTAS DE FIGURAS
Figura 1 – Corpo do UP ____________________________________________ viii
Figura 2 – Máquina Retco utilizada nos testes ____________________________ ix
Figura 3 - Marca de desgaste _________________________________________ x
Figura 4 – Coloração do óleo com enxofre ativo (escuro) __________________ 12
Figura 5 – Coloração do óleo com éster (claro) __________________________ 14
Figura 6 – Película de fluido entre cavaco e ferramenta ___________________ 17
Figura 7 – Distribuição da temperatura entre cavaco, peça e ferramenta ______ 19
Figura 8 – Cisalhamento do cavaco ___________________________________ 20
Figura 9 – Broca canhão ___________________________________________ 23
Figura 10 – Sistema STS ___________________________________________ 24
Figura 11 – Sistema Ejector _________________________________________ 24
Figura 12 – Broca canhão com perfil da peça ___________________________ 25
Figura 13 – Configuração bucha guia x peça ____________________________ 27
Figura 14 – Furo de alta pressão _____________________________________ 28
Figura 15 – Desenho esquemático das profundidades ____________________ 31
Figura 16 - Detalhe do desgaste, broca 3 e 4 com 50 peças usinadas com
parâmetro antigo, desgaste 1,0mm. ________________________________ 31
Figura 17 - Detalhe do desgaste, broca 5 e 6 com 50 peças usinadas com
parâmetro antigo, desgaste 0,9mm. ________________________________ 32
Figura 18 – Desenho esquemático das profundidades ____________________ 32
Figura 19 - Broca com 150 e 125 peças usinadas apresentando, polimento e um
pequeno desgaste (parâmetro atual)._______________________________ 33
Figura 20 - Detalhe do desgaste, broca 21 e 31 com 125 e 150 peças usinadas
com parâmetro atual, polimento de 0,9 e 1,0 mm, respectivamente. _______ 33
Figura 21 - Detalhe do desgaste, broca 65 com 200 peças usinadas com
parâmetro atual, desgaste 1,0mm. _________________________________ 34
Figura 22 Desenho da bucha com Ø2,505 +0,005 ________________________ 34
vi
Figura 23 - Detalhe do desgaste, broca 31 e 32 com 150 peças usinadas com
parâmetro atual, bucha conforme e desgaste 0,3 e 0,5mm e polimento de 1,0 e
1,1mm, respectivamente. ________________________________________ 34
Figura 24 - Estrutura com presença não homogênea de martensita do corpo UP 42
Figura 25 - Estrutura com martensita laminar na cabeça UP ________________ 42
Figura 26 - Estrutura da cabeça UP conforme especificado ________________ 43
Figura 27 – Fixação da peça na máquina ______________________________ 44
Figura 28 - Esquema geométrico _____________________________________ 45
Figura 29 - Regiões de queima ______________________________________ 48
Figura 30 - Superfície do furo de alta pressão riscada _____________________ 48
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Avaliação de óleos integrais conforme viscosidade _______________ 9
Tabela 2 – Relação de propriedades. Fluido integral x solúvel ______________ 16
Tabela 3 – Avanço de corte anterior __________________________________ 31
Tabela 4 – Avanço de corte atual _____________________________________ 32
Tabela 5 – Medições do Ø interno da bucha guia ________________________ 34
Tabela 6 - Comparação de fluxos de ar das brocas _______________________ 46
viii
RESUMO
A empresa em que atuamos (Robert Bosch Limitada) é reconhecidamente
o local de maior aplicação do processo de furação profunda do Brasil e com quase
toda a certeza da América Latina. Este processo requer ferramentas, máquinas e
óleo de corte específico. É neste ponto que pretendemos desenvolver nosso
projeto, a idéia inicial era fazer um comparativo de desempenho entre três tipos de
óleos (todos integrais, mas de fornecedores diferentes) em uma operação da linha
de produção do produto UPS (Corpo do UP - Fig. 1) que esta tendo sua produção
iniciada este ano no Brasil.
Figura 1 – Corpo do UP
Devido o aumento de produção da linha, a parada para as trocas e
subseqüentes testes ficou impossibilitada. Assim a empresa nos desafiou para
que realizássemos um estudo aprofundado da situação atual, a proposta inicial era
fazer comparações de desgastexvida útil realizando somente a troca dos óleos e
com esta nova oportunidade fizemos testes com vários parâmetros de corte e
ix
assim verificamos que estávamos superestimando os valores de avanço e rotação
da broca canhão.
Hoje a empresa vive uma transição de produtos mecânicos que estão
tendo seu fim (Ex.: Bombas A, P e VE), para outros eletrônicos que vêem para
substituir estes últimos e ganhar mercado da injeção à diesel de veículos de
pequeno porte (Ex.: CRI e UPS). Nós utilizaremos a máquina Retco (Fig. 2),
dedicada à operação do furo de alta pressão do corpo do UP, para realizarmos
todos os testes necessários.
Figura 2 – Máquina Retco utilizada nos testes
Acreditamos ter chegado ao final dos testes na melhor situação de
parâmetros para a condição de grande variabilidade de estrutura metalográfica do
forjado. Para tanto as análises da integridade do óleo utilizado, o VB
(Verschleissen Marken Breiten – largura da marca de desgaste, Fig. 3) das
brocas, a vida útil por afiação das ferramentas e todos os critérios de qualidade
do produto (ex.: posição do furo e Rz), foram alvos da nossa avaliação.
x
Figura 3 - Marca de desgaste
O óleo utilizado foi o Ecocut 610B, trata-se de um óleo integral com
aditivação de éster. Os testes de introdução deste produto na Robert Bosch
deixarão claro que apesar do custo/litro dele ser alto, a economia proporcionada
pelo aumento de vida útil e/ou redução do desgaste, que trataremos à partir de
agora como VB, era uma constante em quase todos os processos. Especialmente
em furação profunda seus resultados levarão a empresa a adotá-lo como óleo
padrão para todas as máquinas de furação profunda em todas as linhas
(aproximadamente 15 máquinas com volume instalado de 25000 L e um consumo
de 9000 L/mês), e realizar intercâmbio com outras plantas da empresa, que
atualmente fazem uso do produto (Campinas e Bamberg – Alemanha).
Fizemos o levantamento dos primeiros parâmetros praticamente durante a
instalação da máquina, num período de dois meses, quando diariamente os
integrantes estavam junto à máquina avaliando broca e peças usinadas,
prejudicando o mínimo possível a produção normal. Para isto adotamos alguns
procedimentos que serão descritos no projeto.
Como o intuito inicial era fazer comparativos com outros óleos, fizemos a
análise dos outros dois escolhidos (anexo) e estávamos prontos para realizarmos
as experiências quando nossas gerências nos informaram que devido ao aumento
da produção da linha do UP e como a máquina Retco escolhida para os testes, ser
a única a realizar o processo, deveríamos aguardar até fevereiro/março de 2003
xi
quando outra máquina idêntica estaria sendo instalada e desta forma a
possibilidade de pararmos o fornecimento do produto à Mercedes seria reduzida.
A nova máquina realmente esta sendo instalada nestes dias, o que não nos
atendeu no que diz respeito à entrega do Projeto. Desta forma rumamos para a
obtenção de novos parâmetros para aquele processo estudado anteriormente.
Devido ao grande contato que tivemos com a produção naqueles dias
começamos a sentir que os valores de rotação e avanço da broca podiam ser
elevados, e desta forma teríamos uma redução do ciclo da máquina, bastante
rápida já naquele instante. Os teste seguintes, como serão mostrados no projeto,
mostraram que estávamos completamente errados e que este processo (material
42CrMo4 com dureza aproximada de 40HRc) distingue-se e muito das demais
furações profundas encontradas na empresa.
1
1. INTRODUÇÃO
Ao analisarmos a situação atual das operações de furação profunda com
broca canhão notamos um grande potencial de redução de custo para empresa,
visto o alto custo deste tipo de broca e pelo preço elevado do óleo.
Com o objetivo de encontramos a melhor relação de custo benefício para
este processo realizamos basicamente quatro ensaios. E em todos o
procedimento foi o mesmo.
O trabalho foi realizado na empresa Robert Bosch da Cidade Industrial de
Curitiba – PR e trabalhamos com a usinagem do material 42CrMo4 Modificado
(SAE 4244), que constitui o material do produto “Corpo do UP”.
O UP System trata-se de uma nova geração de sistemas de injeção de
diesel para caminhões, neste caso cada corpo é instalado em um cilindro do motor
(UPS: Unit Pump System), sendo o sistema formado de um conjunto
eletromecânico que proporciona maior precisão na quantidade injetada e com
maiores pressões e assim uma grande redução de consumo de emissões de
poluentes.
As avaliações foram em um furo de Ø2,5mm com aproximadamente
64mm de comprimento. O material conforme norma Bosch deveria estar entre 39-
40HrC de dureza, e as especificações de qualidade exigiam um Rmáx (Ry) de
16m (anexo10) e um calibrador era usado para verificar a posição do furo, isto é,
limitar o desvio máximo permitido entre o início e o final do furo (Desenho do
calibrador), este calibrador é usado em todas as peças e algumas são
encaminhadas (5/dia) para a sala de medição onde um equipamento
tridimensional da Zeiss realiza a medição e à formaliza em relatório. Caso o
calibrador indique que o furo esta fora do permitido a peça já é sucateada, sem
que a Zeiss verifique quanto fora a medida esta do admissível.
2
A máquina escolhida para os ensaios foi uma Retco dedicada a usinagem
do furo de alta pressão do corpo do UP. Equipada com dois fusos e com
possibilidade de avanço somente em X. Os principais motivos da escolha foram a
rigidez da máquina, o baixo ciclo do processo (aproximadamente 30s), a baixa
produção do corpo do UP que nos proporcionaram possibilidades de
exclusividades impensáveis, pelo menos nos primeiros meses do projeto, e por
possibilitar uma troca de óleo rápida, afinal era esta nossa intenção. Devido sua
posição estratégica no meio da linha de produção e ao altíssimo ciclo das outras
máquinas (4 Emags antes e 6 Grobs depois) podemos realizar os testes e os
ajustes sem nunca interferir na produção diária estabelecida.
Das três propostas que testaríamos, apenas uma realmente foi levada até
o fim, pois fomos forçados a redirecionar o projeto em meados de dezembro após
realizarmos todas as análises de irritabilidade e DL via oral (anexos) dos óleos.
Inclusive estivemos próximos de cancelar o teste com a Shell, pois a empresa
enviou um memorando aos seus funcionários proibindo que os testes de
irritabilidade e DL via oral fossem realizados em nome da Shell, pois estes testes
podem levar a cobaia à morte e a empresa não podia ter seu nome vinculado a
nenhuma agressão (além daquelas que já estavam sendo investigadas na época)
ao meio ambiente. Assim a Bosch pagou os exames e as empresas Shell e
Yushiro cederam os 800 L para os testes. Desta forma fica claro a importância
deste trabalho que realizamos também para a empresa, somente após estes
vários testes de parâmetros e de ajustes de dureza e da liga do material temos um
padrão estável, isto é, parâmetros que funcionam com a grande variedade de
dureza interna ainda encontrada na estrutura do material e dão segurança na
troca da broca sempre com o mesmo valor de vida útil, que serão colocados em
prova com os outros óleos.
O óleo ensaiado foi da Fuchs do Brasil (anexo 1) que foi um produto
desenvolvido a pedido para a Bosch Curitiba em meados de 2000 para atender a
linha de usinagem do corpo do CRI (Commom Rail) que é uma outra tecnologia
3
para injeção diesel que inclui motores de automóveis, e que deveria seguir os
seguintes pré-requisitos:
1. Óleo deve ser claro para permitir visual sem limpeza da peça;
2. Deve ser um produto que se possa usar em aplicações diversas como
torneamento e fresamento e não só em furação profunda;
3. Ser classificado como não irritante segundo laudo do Tecpar (anexo 7);
4. Ter cheiro suportável, de preferência nenhum;
5. Preferencialmente ser aditivado contra formação de névoa (anexo 1);
6. Ponto de fulgor elevado, acima de 120 ºC (anexo 1).
O produto da Fuchs atendeu todas estas exigências, e continha uma
inovação tecnológica para o chão de fábrica da Bosch que era sua aditivação com
éster, que até então não tínhamos testado e nenhuma empresa mostrava um
histórico confiável de seus predicados sobre os óleos aditivados com enxofre,
cloro ou fósforo em qualquer tipo de usinagem. O grande empecilho sempre foi o
elevado custo deste tipo de aditivação que apesar de ter uma ação protetora mais
eficiente no cume da ferramenta que eleva a vida útil desta, nunca ocorreu custo
benefício para viabilizar sua utilização em ambiente industrial de alta
produtividade, mas mesmo tendo o custo/litro quase o dobro dos óleos
convencionais a sua utilização foi viabilizada devido ao aumento da vida das
brocas sendo o desgaste mantido desta forma cada broca usina mais que o dobro
de peças que usinaria normalmente. Este comportamento foi observado em todas
as máquinas de furação profunda testadas na Bosch de Curitiba (+/- 10), assim
este produto é hoje o óleo de furação profunda oficial da empresa, bem como para
a maioria dos processos, como o item dois dos pré-requisitos solicitava.
Atualmente este óleo esta sendo introduzido em outras fábricas do grupo
como Bamberg – Alemanha e Campinas – Brasil e em Curitiba seu consumo
mensal ultrapassa 8000 L. Toda máquina nova é cheia com este óleo e tem seu
Try-out realizado.
4
Este produto tem um nível de satisfação muito grande tanto no cão de
fábrica como no planejamento, pois o óleo anterior apesar de barato tinha um odor
e coloração que fazia necessário colocar uma operação de limpeza para então
realizar o visual e com o Ecocut 610B isto se torna desnecessário. Mas apesar de
todas estas virtudes o seu custo ainda é um problema quando a análise do
benefício não é bem feita.
Visando esta honestidade na apresentação dos dados é preciso que os
parâmetros com o qual o processo venha a trabalhar absorva toda e qualquer
variação permissível da liga e de sua dureza, para isto nós levantamos as
seguintes informações dos custos para então realizarmos as variações de
parâmetro:
1. Informações técnicas dos fabricantes (do óleo - Fuchs e da broca canhão –
Botek);
2. Laudos de irritabilidade e fichas padrões de materiais químicos da Bosch
(anexo 7 e 8);
3. Preço por litro do produto: R$3,30;
4. Preço de fornecimento de cada broca: R$120,00;
Vale lembrar que tanto o preço do óleo como da ferramenta leva em
consideração o volume Bosch de consumo.
Partimos então para os testes propriamente ditos que deveriam ao final
resultar nas seguintes informações:
1. Parâmetros de corte (avanço da ferramenta, pressão do óleo e ciclo de
operação);
2. Curva de vida útil x desgaste;
3. Fotos de desgaste das ferramentas;
4. Número de afiações possíveis;
5
5. Avaliação de Cp e CpK através de Carta CEP (anexo 9);
6. Consumo de óleo durante o teste;
7. Cálculo de custo benefício para as diversas propostas de parâmetro;
Aos fornecedores foi dada a oportunidade de acompanhar os teste e tanto
o Sr. Aldo Ribeiro como o Sr. Fernando... das empresas Fuchs e Botek
respectivamente acompanharam os testes na medida do possível e também nos
auxiliaram tecnicamente juntamente com o Sr. Antonio Carlos de Souza Neves,
coorientador deste trabalho. Contudo a análise dos resultados foi de inteira
responsabilidade dos integrantes da equipe.
6
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Os elementos principais de nosso trabalho estão nas teorias de usinagem,
sejam elas sobre ferramentas ou fluidos de corte. Serão sobre estes elementos
que faremos algumas colocações.
2.1. Fluidos de Corte
O processo de fabricação denominado usinagem é reconhecido pelo
contato de um agente que remove material de outro através de um gume de corte,
de fricção ou de algum tipo de abrasão. O agente citado seria a ferramenta, que
retira camadas (cavacos) da peça até o resultado de forma desejado. Para o bom
desempenho deste processo existe parâmetros que são fundamentais, como:
1- Velocidade de Corte;
2- Avanço por volta ou por minuto;
3- Sobre-metal retirado;
4- Material a ser usinado;
5- Geometria da ferramenta;
6- Classe de Metal duro da ferramenta ou tipo do aço rápido utilizado;
7- Tipo de refrigeração do corte;
Estes fatores interagem entre si, quer dizer para uma determinada
geometria ou classe de metal duro, uma velocidade de corte deverá se comportar
melhor, assim como ferramentas que podem ter bom desempenho com aço e
podem não corresponder com o alumínio [Ref. 5].
7
2.2. Os Tipos de Fluidos de corte
O grupo maior, mais importante e mais amplamente empregado é
composto pelos líquidos. Eles são divididos em três grandes grupos [Ref. 9]:
1. Óleos de corte integrais: não são misturados com água.
2. Óleos emulsionáveis ou solúveis: óleos minerais solúveis e
óleos solúveis de extrema pressão –EP e óleos solúveis com
base vegetal.
3. Fluído de corte químicos ou sintéticos: misturados com água
ou como o óleo básico.
Daremos ênfase neste trabalho para óleos integrais e suas várias
aditivações.
2.2.1. Óleos de Corte Integrais
A composição de um fluido integral segue a seguinte regra:
Veículo (óleo): cuja viscosidade é a propriedade física que imprimirá a
característica do fluido ser mais ou menos refrigerante.
Aditivos: aqui estão inclusos os aditivos de extrema pressão, que
melhoram o índice de viscosidade, anti-espumantes, proteção, anti-corrosivos e
anti-oxidantes [Ref. 9].
2.2.1.1. Veículo
O óleo mineral (veículo) é uma mistura de hidrocarbonetos nos quais as
cadeias são dispostas e classificadas conforme segue:
8
1 – Parafínicos: cadeias de carbono retas ou ramificadas
2 - Naftênicos: Cadeias de carbono saturadas cíclicas (em forma de anel)
3 – Aromáticos: Cadeias de carbono cíclicas não saturadas
[Ref. 8]
No entanto os óleos minerais têm taxas diferentes dos três tipos, e a
predominância de um tipo ou outro tem a ver com a origem do petróleo, desta
forma no Brasil usamos o óleo com base predominante parafínica, enquanto a
Europa usa com base predominante naftênica.
9
Óleos de base parafínica são os mais indicados para o corte de metais, se
possível com baixo teor de aromático, pois eles são os principais responsáveis
pela agressividade do óleo contra a pele.
A utilização de óleos parafínicos ainda tem as seguintes vantagens:
a. Maior resistência natural à oxidação;
b. Menos prejudiciais a pele, devido ao baixo nível de aromáticos;
c. Menos agressivos a borrachas e plásticos, elementos comumente
encontrado em máquinas operatrizes;
d. Possibilidade de ter um óleo mais claro (isto depende muito do tipo
de aditivação, o que vamos comentar mais adiante).
[Ref. 10]
Os níveis de viscosidade de óleos integrais, interessantes para usinagem
são relacionados na tabela 1:
Tabela 1 – Avaliação de óleos integrais conforme viscosidade
Operação Viscosidade Típica (cSt/40°C)
Fluidos para brunimento 4 – 13
Óleos para furação profunda 15
Óleos para usinagem geral 20 – 50
Óleos para retificação 10 – 100
Para operações pesadas 260
[Ref. 9]
Estes valores servem como referência, desta forma não devem ser
tratados como única verdade. As faixas de viscosidades são grandes e podem ser
ajustadas a partir de misturas de óleos básicos de viscosidades diferentes, assim
10
é possível adaptar um óleo para uma operação específica, e é claro que este tipo
de óleo terá seu custo elevado.
A viscosidade pode ser uma boa referência na escolha do fluido a ser
usado, mas a escolha do fluido depende em grande parte ao material a ser
usinado, do tipo de operação de corte e da ferramenta usada. Os fluidos de corte
solúveis e os sintéticos são indicados quando a função principal é resfriar. Os
óleos minerais (integrais), puros ou contendo aditivos especiais são usados
quando a lubrificação é mais importante que o resfriamento.
Além de aditivos normais para o corte, o anti-espumante é um aditivo
muito importante, ainda mais em operações de alta exigência.
2.2.1.2. Aditivação
Os fluidos de corte são modificados com aditivos - compostos químicos
que melhoram propriedades inerentes aos fluidos ou lhes atribuem novas
características. Em geral, esses aditivos caem em uma das duas classes: (1)
aqueles que afetam uma propriedade física, como viscosidade; (2) aqueles cujo
efeito é puramente químico, como anti-corrosivos e anti-oxidantes.
Por exemplo, óleos com aditivos de extrema pressão (EP) são compostos
de enxofre, cloro, fósforo ou éster sintético/vegetal, que reagem em altas
temperaturas (200 a 1000 ºC), formando na zona de contato sulfetos, cloretos ou
fosfatos, constituindo uma película anti-solda na face da ferramenta e assim,
minimizando a formação do gume postiço, aumentando a vida útil da
ferramenta.[Ref. 10]
11
2.3. Ação de agentes de extrema pressão
2.3.1. Enxofre como agente de Extrema Pressão
O enxofre é um aditivo de extrema pressão muito eficiente e difundido,
devido ao seu baixo custo. Podemos encontrá-lo na forma ativa (gordura
sulfurizada) ou inativa (ligado quimicamente) nos fluidos de corte integrais.
Quando ele é ativo ele esta diretamente dissolvido e neste estado ataca o
cobre e suas ligas, mas paro o aço e ferro ele não é agressivo. O enxofre inativo
esta presente quimicamente junto ao óleo básico e assim inofensivo à ligas de
cobre.
O gráfico compara o desempenho do enxofre ativo com o inativo.
[Ref. 9]
Fica claro que o enxofre ativo é dedicado a operações severas, mas a
coloração deste tipo de aditivação normalmente é muito escura e o cheiro
agressivo (Fig. 4).
A reação do óleo com o metal gera como produto o sulfeto metálico, que
fica dissolvido no óleo restante ou impregnado no metal/ferramenta.
Dsgaste
Ferrament
a
Pressão de corte
Enxofre ativo
Enxofre inativo
Desgaste
Ferramenta
12
Figura 4 – Coloração do óleo com enxofre ativo (escuro)
2.3.2. Cloro como agente de Extrema Pressão
Normalmente na forma de parafina clorada, o cloro não é tão eficiente
quanto o enxofre, mas esse se decompõe em temperaturas mais baixas.
Seu uso vem sendo restringido devido aos danos ao meio ambiente que
seu descarte pode causar, além de reagir com água (de algum vazamento) e
produzir ácido clorídrico, que corroem as parte de plástico e borracha da máquina.
[ Ref.9]
2.3.3. Fósforo como Aditivo extrema pressão/anti-desgaste
Apesar de não ser tão eficiente quanto aos dois anteriores, este elemento
encontra-se na forma de ditiofosfato de zinco com propriedade anti-desgaste. Age
principalmente no controle de arestas postiças, e aumentando vida útil das
ferramentas. [Ref. 9]
13
Comparando os três tipos de aditivos citados temos:
[Ref. 9]
O fósforo é mais eficiente para pressões de corte menores, assim seu
efeito ocorre logo que a ferramenta encosta-se à peça. Quando temos a união
deles, enxofre + fósforo, cloro + fósforo ou éster + enxofre + fósforo, o resultado
prático não é a soma das propriedades de cada um, na verdade o que temos é a
ação melhorada dos aditivos relacionados, com proteção de desgaste em faixas
muito superiores.
2.3.4. Éster como aditivo de extrema pressão
O éster é um aditivo de origem sintética ou vegetal, possui alta lubricidade
e esta presente quimicamente ligado no óleo básico. A coloração deste tipo de
óleo é muito clara (Fig. 5) e tem sua aplicação indicada em processos em que a
carga de usinagem é elevada (furação profunda). Devido a estes fatores,
normalmente é um produto de preço elevado.
Desgaste
e
Pressão de corte
Fósforo Cloro
Enxofre
14
Figura 5 – Coloração do óleo com éster (claro)
Seu comportamento esta sendo estudado nos diversos tipos de usinagem,
trata-se de uma tecnologia de aditivação pouco difundida.
2.4. Propriedades e Funções dos Fluidos Integrais de Corte
Um fluido de corte é um material composto, na maioria das vezes, líquido,
que deve ser capaz de:
1 - Refrigerar;
2 - Lubrificar;
3 - Melhorar o acabamento superficial da peça;
4 - Proteger contra a oxidação/corrosão;
5 - Reduzir desgaste da ferramenta;
6 - Limpar os cavacos da região da usinagem;
15
7 - Lubrificar Guias e barramentos. [Ref. 9]
Como refrigerante ele atua sobre a ferramenta e evita que ela atinja
temperaturas muito altas e perca suas características de corte. Age, também,
sobre a peça, evitando deformações causadas pelo calor. Atua, finalmente, sobre
o cavaco reduzindo a força necessária para que seja cortado e removendo-o
rapidamente da região de corte, onde pode causar danos à peça e à ferramenta.
Como lubrificante, o fluido de corte facilita o deslizamento dos cavacos
sobre a ferramenta e diminui o atrito entre a peça e a ferramenta. Evita ainda o
aparecimento de aresta postiça, reduz o coeficiente de atrito na região de contato
ferramenta-cavaco melhorando o rendimento da ferramenta.
Como protetor contra oxidação, ele protege a peça, a ferramenta e o
cavaco, contribuindo para o bom acabamento e aspecto final do trabalho.
A ação de limpeza ocorre como conseqüência da aplicação do fluido de
corte em forma de jato, cuja pressão afasta as aparas deixando limpa a zona de
corte e facilitando o controle visual da qualidade do trabalho.
A tabela 2 mostra a relação de outras propriedades com óleo integral e
solúvel.
a. Fluidos de corte solúveis com aditivos de extrema pressão ocupam
posição intermediária entre os dois extremos;
b. Fluidos de corte solúveis corretamente formulados e mantidos,
protegem adequadamente, porém problemas com fluidos solúveis
são conhecidos;
c. A bombeabilidade dos integrais depende de sua viscosidade. Quanto
menor melhor.
16
Tabela 2 – Relação de propriedades. Fluido integral x solúvel
Propriedade do Fluido de Corte
Fluido Integral Fluido Solúvel
Calor específico Baixo Alto
Condutividade térmica Fraca Boa
Poder lubrificante Bom Fraco (a)
Propriedades anti-corrosivas
Boas Fracas(b)
Decantação do cavaco Fraca Boa
Bombeabilidade Variável(c) Fácil
Perdas por arraste Altas Baixas
Aceitação pelo operador Menor Maior
[Ref. 9]
Além destas propriedades podemos citar outras que podem ser
importantes em algumas operações (Ex.: retificação, brunimento, brochamento,
etc):
Propriedades anti-espumantes;
Compatibilidade com o meio-ambiente;
Propriedades de lavagem;
Alta capacidade de absorção de calor;
Alta capacidade de umectação;
Estabilidade durante a estocagem e o uso;
Ausência de odor forte e/ou desagradável;
Ausência de precipitados sólidos ou outros de efeito negativo;
Transparência, se possível.
17
2.4.1. A propriedade lubrificante dos óleos integrais de corte
Ao atuar como lubrificante, o fluido de corte age para reduzir a zona de
aderência e sua eficiência vai depender da quantidade do mesmo que atinge e
penetra, em curto espaço de tempo, na interface cavaco/ferramenta, formando um
filme resistente através dos mecanismos de absorção física ou de reação química
(Fig. 6). A película lubrificante para ter atuação significante deve ter menor
resistência ao cisalhamento do que a resistência do material na interface.
Figura 6 – Película de fluido entre cavaco e ferramenta
[Ref. 9]
O fluido de corte penetra entre a superfície da ferramenta e a do cavaco
por capilaridade e resulta em redução do atrito, aumento do ângulo de
cisalhamento e cavaco de menor espessura. Reduz-se assim o consumo de
energia e a geração de calor.
É exatamente na região da aresta que se cria condição favorável para que
os aditivos atuem, devido à alta temperatura do corte, desta forma é gerada uma
película “sólida” de baixa resistência ao cisalhamento entre as superfícies em
atrito. O cavaco desliza sobre a superfície da ferramenta.
Altas velocidades de corte dificultam o acesso do fluido de corte na zona
de atrito. Somente utilizando-se alta pressão é que se minimiza esta deficiência,
mas o fluido deve estar preparado para esta condição a fim de não ser vaporizado.
18
Baixas temperaturas de corte em materiais que tendem a formar aresta
postiça exigem fluidos com grande ação lubrificante para que se evite a soldagem
do cavaco na ferramenta.
Na maioria dos casos, as matérias-primas que são utilizadas para imprimir
ao fluido de corte a característica de boa lubrificação são adicionadas em veículos
de viscosidade baixa o suficiente para permitir que o fluido circule pela máquina
sem grandes esforços, mas devidamente alta para que o mesmo tenha aderência
às superfícies da ferramenta e crie uma película. São polímeros os responsáveis
por aumentar a resistência superficial do filme, sendo muito importantes nos
aditivos anti-névoa.
2.4.2. A propriedade refrigerante dos óleos de corte
Como refrigerantes, os fluidos de corte diminuem a temperatura gerada
durante o corte, tanto pelo aumento da dissipação do calor, como também pela
redução da geração de calor proporcionado pela propriedade de lubrificar.
Na Fig. 7 vemos uma configuração típica da distribuição de calor entre
ferramenta/cavaco/peça. Algumas operações ultrapassam 1000°C no ponto de
maior atrito ferramenta/cavaco.
19
Figura 7 – Distribuição da temperatura entre cavaco, peça e ferramenta
[Ref. 15]
A tendência é que o cavaco fique com mais de 70% do calor gerado (A
pressão entre ferramenta e peça chega a 14000Mpa), por isso a importância de
retirá-lo logo da região do corte, e para isto a pressão e a direção do fluido
passam a ser importantes.
Para que esta remoção de calor ocorra de maneira eficiente, os fluidos de
corte devem apresentar viscosidades muito baixas para que não causem
resistência ao escoamento e permitam uma boa circulação do mesmo pelo
equipamento. Além de ser necessário que apresente alto calor específico, alta
condutividade térmica e boa molhabilidade. Como refrigerante, a água, é o veículo
mais empregado.
Tolerâncias apertadas são obtidas utilizando-se fluidos com alta
característica refrigerante (sistemas água/glicol, por exemplo), reduzindo a
dilatação térmica a que certos materiais estão sujeitos durante o processo de
usinagem. Este é um processo típico das operações de retificação, onde o calor
gerado não danifica a ferramenta (os rebolos são refratários), mas pode afetar as
condições dimensionais. Neste caso, o fluido de usinagem com bom poder
20
refrigerante garante as dimensões estipuladas e o acabamento adequado sem
que haja comprometimento da estrutura superficial da peça por crescimento de
tensões devido ao excesso de calor.
2.5. A atuaçäo do óleo de corte na formação do cavaco
O cavaco é a matéria excluída na operação de usinagem, e para cada
processo temos um aspecto e forma, que dependente dos parâmetros de corte e
da aplicação de refrigeração.
Conforme a ferramenta cumpre sua função, o metal deforma-se por
cisalhamento ou fluxo plástico ao longo de um plano de cisalhamento que se
estende do topo da ferramenta para a superfície do metal (Fig. 8).
Figura 8 – Cisalhamento do cavaco
[Ref. 15]
Na parte de cima do plano de cisalhamento temos o cavaco e a baixo o
material praticamente não sofre qualquer distúrbio (superficialmente ele fica
21
encruado). Como dito anteriormente, a redução no atrito entre peça e ferramenta
aumenta o ângulo de cisalhamento, resultando em cavaco menos espesso e
menor deformação de metal. Em algumas operações é interessante reduzir ao
máximo as tensões superficiais originadas no corte, principalmente se a peça
sofrer tratamento térmico posterior, pois a temperatura do forno cederá energia
suficiente para que ocorra movimentação dos planos cristalográficos. O material
encruado tenderá a aliviar suas tensões provocando deformações sensíveis na
peça devido a acomodação dos planos.
Como a figura mostra a componente da força, Fshn é grande (devido ao
movimento da ferramenta) assim o incruamento do material é inevitável.
Em alguns processos de usinagem é muito importante considerar o
destino do cavaco após a sua formação. O cavaco formado deve ser retirado da
área de trabalho para não riscar ou comprometer o acabamento da peça, danificar
a ferramenta ou impedir a própria usinagem.
Na furação profunda, por exemplo, o cavaco formado no fundo do furo
pode acumular-se devido a turbulências ou baixa pressão, dificultando o corte e a
formação de mais cavaco. Normalmente o cavaco retorna pelo furo de
refrigeração. Até mesmo no torneamento externo, cavacos em forma de fitas
longas podem se enroscar na peça e na ferramenta. Por isso os fluidos de corte
são importantes agentes “removedores” de cavaco. Isso pode ocorrer de três
formas:
1) O escoamento de alta vazão do fluido ajuda a carregar ou empurrar o
cavaco para longe.
2) O resfriamento brusco do cavaco fragiliza o material e facilita sua
quebra ou fragmentação.
3) Ao se utilizar fluidos de corte os parâmetros de usinagem podem ser
ajustados de modo a facilitar a obtenção de cavacos menores.
22
2.6. Cuidados com armazenamento e manuseio
Os fluidos de corte exigem algumas providências e cuidados de manuseio
que garantem seu melhor desempenho nas operações de usinagem:
Armazenamento - devem ser armazenados em locais adequados, sem
muitas variações de temperatura.
Alimentação - deve ser aplicado diretamente à ponta da ferramenta com
alimentação individual de cada ponta. A alimentação do fluido deve ser
iniciada antes que a ferramenta penetre na peça a fim de eliminar o choque
térmico e a distorção.
Purificação e recuperação - os fluidos podem ser contaminados por limalha,
partículas de ferrugem, sujeiras diversas.
Controle de odor - fluidos em forma de emulsão, por conterem água, estão
sujeitos à ação de bactérias presentes no ar, na água, na poeira e que
produzem maus odores.
Contaminação por água - os óleos integrais devem ser isolados de
qualquer contato com água pois da reação teremos como produto um
líquido branco e pastoso de características diferentes dos reagentes. Existe
um limite de aceitação para o teor de água, que não deve ultrapassar 1000
ppm´s (partes por milhão).
[Ref. 4]
Embora os processos de produção dos fluidos de corte estejam cada vez
mais aperfeiçoados para eliminar componentes indesejáveis, não só no que se
refere ao uso, mas também aos aspectos relacionados à saúde do usuário, o
contato prolongado com esses produtos pode trazer uma série de problemas de
23
pele, genericamente chamada de dermatite. E por estes motivos os testes de
irritabilidade são tão importantes.
2.7. Furação Profunda
É um processo de usinagem pouco difundido e de aplicação especial. Tem
por característica um acabamento superficial de Rz = 2 para broca com TiN no
metal duro e Rz = 3 para brocas sem TiN e dimensionalmente conseguimos
facilmente It 7 e ocasionalmente It 6 dependendo dos parâmetros de máquina.
[Dados empíricos]
Vamos considerar furação profunda, usinagem de furos com comprimento
até 100 x Ø furado, e para tal podemos citar três processos:
1 – Brocas Canhão (Fig. 9);
Figura 9 – Broca canhão
24
2- Tubo único: Sistema STS (Fig. 10);
Figura 10 – Sistema STS
[Ref. 7]
3 – Sistema Ejector (Fig. 11);
Figura 11 – Sistema Ejector
[Ref. 7]
Para nosso estudo vamos considerar somente o processo com brocas
canhão, que se trata de uma ferramenta constituída de uma haste, uma ponta de
metal duro (MD) soldada com determinada conicidade e uma espiga para fixação,
as configurações de ângulos de ponta podem ser diversas e variando conforme o
25
800um
Ø2.500
Ø2.499
material e a aplicação, visto que brocas com perfil especial (requerido pelo
produto, Fig 12) ou até mesmo escalonadas são possíveis.
A conicidade comentada deve respeitar as tolerâncias de Ø da peça, isto
quer dizer, todo o comprimento de metal duro da broca deve ser útil para realizar a
operação, assim conforme a broca é afiado o diâmetro diminui numa razão
específica, conforme desenho esquemático a seguir. Por exemplo, a cada 800m
de comprimento retirado, a broca perde 1m no diâmetro (valor típico). [Ref. 6]
Figura 12 – Broca canhão com perfil da peça
Conicidade da broca canhão
Ponta da broca canhão
26
No processo de furação com brocas canhão a utilização de óleos integrais
tem além dos objetivos gerais de todo tipo de usinagem (lubrificar e resfriar),
ainda:
1. Retirar cavaco da área de corte: como todo processo de furação a
tendência é a do cavaco ficar no fundo do furo, e isto para o processo
em questão é fatal, pois o excesso de cavaco reduz a qualidade
superficial (objetivo da utilização da broca canhão) e pode levar a
quebra da ferramenta caso a ferramenta prense um cavaco na parede
(a broca canhão tem baixa rigidez radial);
2. Dar rigidez axial à broca (Ø>2mm a 5mm): as altas pressões do fluído
de corte que variam de 70 a 120 Bar, dependendo da operação
(valores empíricos) são responsáveis pela rigidez da broca contra a
peça, mas radialmente a broca é flexível.
[Dados empíricos]
A utilização de pressão interna errada na broca pode causar vibração da
broca (pressão alta) ou quebra (pressão baixa) e até mesmo conicidade maior no
fundo do furo devido ao arraste de cavaco.
A broca canhão por ter um perfil assimétrico exige uma atenção especial
na entrada da ferramenta na peça. Existem duas maneiras eficientes de fazê-lo.
1. Usar uma bucha guia posicionada junto à peça a ser usinada (Fig 13);
2. Fazer um pré-furo com diâmetro 5m maior que o diâmetro da broca
canhão e de comprimento mínimo de 1 x Ø;
[Dados empíricos]
27
Figura 13 – Configuração bucha guia x peça
A primeira opção é a mais eficiente, mas em algumas máquinas não é
possível instalar bucha guia.
Outro fator importante na utilização do processo é a definição das guias da
broca. Existem alguns tipos que os fabricantes indicam para certas operações,
relacionando a severidade do corte, material e tipo de acabamento desejado e o
comprimento de furo (anexo 3). As guias são os pontos de apoio da ferramenta na
peça, o que a torna um fator determinante na estabilidade do corte juntamente
com a pressão do óleo.
A tabela dos tipos de guias é apenas um referencial, visto que os fatores
citados acima podem levar a uma guia totalmente diferente do especificado, a
definição é empírica.
Ponta da
bucha
que se
encostará
à peça
Ponto de
entrada
da broca
28
3. PLANO DE TRABALHO
Nossa proposta consiste em realizar o furo de alta pressão do UP
2,500mm (Fig. 14) de maneira que façamos uso de todas as propriedades do
óleo utilizado e que ao final tenhamos um processo estável para uma determinada
vida útil da ferramenta.
Figura 14 – Furo de alta pressão
O Ecocut 610B, um óleo integral parafínico com aditivação à base de
éster. Suas principais características são:
1 – Aparência clara;
2 – Não irritante;
Furo de alta pressão
29
3 – Na faixa de 10 a 12 cSt de viscosidade;
4 – Odor fraco;
5 – Não conter aditivos clorados;
As ferramentas usadas foram às mesmas utilizadas na produção normal do
UP (anexo...) , o fornecedor é a Botek da Alemanha e é uma ferramenta
especial no que diz respeito ao diâmetro e sua tolerância.
De cada teste levantamos os dados para traçar o que chamaremos de
gráfico de vida útil/desgaste, com ele pretendemos verificar o ponto em que a
ferramenta entra em colapso, isto é, a vida útil na qual o processo torna-se
instável, tanto peças boas como refugos são possíveis. É uma ferramenta para
otimizarmos processos de usinagem muito usado em campo.
Desta forma podemos estabelecer uma região de estabilidade ou de
trabalho:
Região de trabalho = Ponto de colapso x 0,80
Desgaste (mm)
Vida útil (Peças/broca)
Ponto de colapso
Região de trabalho
Desgaste da
broca (mm)
30
Como ponto de colapso podemos entender uma vida útil em que o
desgaste dá um salto abrupto ou até mesmo ocorre quebra da ferramenta.
3.1. Metodologia utilizada na coleta de dados.
Como ressaltamos anteriormente, o início do nosso trabalho coincidiu com
a aprovação da máquina em Curitiba, mas ao contrário do que normalmente
acontece o processo que foi instalado não coincidia com o que foi aprovado na
Alemanha, assim antes de realizarmos alguma mudança tivemos que levantar
qual era o benefício deste novo processo em detrimento do antigo.
Basicamente eram estes os parâmetros:
1. Pressão do óleo: 100 bar;
2. Broca Botek com afiação conforme desenho Bosch;
3. Rotação: 7300 rpm;
4. Avanços: conforme tabela 3 e figura 5;
5. Vida útil: 100 peças;
Iniciamos a coleta dos desgastes e constatamos que as brocas com 50
peças (tanto do fuso esquerdo como direito) já apresentavam desgaste de 1mm
na aresta lateral (Fig. 16, 17) o que seria um desgaste de fim de vida útil em
processos normais de furação profunda. Com isto o número de refugos no final da
vida útil programada de 100peças/afiação de broca era grande devido ao desvio
do furo indicado pelo calibrador.
A análise do desgaste das brocas era realizada junto à máquina com a
utilização de uma lupa manual com aumento de 8x a qual possue uma graduação
que servia para medir o tamanho do desgaste. No início, com a produção baixa,
31
tínhamos poucas brocas para avaliar, às vezes nenhuma em um dia, mas depois
de analisadas as brocas ou voltavam para a máquina ou eram retiradas do mandril
e mandadas para a afiação, dependendo do estado da aresta e da ponta. Com os
parâmetros citados não conseguimos ultrapassar as 100 peças com segurança,
pois nas poucas tentativas de chegar a 125 peças tivemos refugos devido a desvio
do furo e/ou quebra de broca.
Desta forma estávamos certos que o ponto de colapso eram as
100peças/broca.
Tabela 3 – Avanço de corte anterior
Figura 15 – Desenho esquemático das profundidades
Figura 16 - Detalhe do desgaste, broca 3 e 4 com 50 peças usinadas com os primeiros parâmetros, desgaste 1,0mm.
Comprimento usinado (mm)
Avanço (mm/min)
5 80
7 80
18 80
30 80
18 80
5 80
32
Figura 17 - Detalhe do desgaste, broca 5 e 6 com 50 peças usinadas com os primeiros parâmetros, desgaste 0,9mm.
Com esta performance ruim em 15 dias de trabalho, tivemos o aval da
produção para retornarmos as condições usadas nos testes na Alemanha, que
diferiam dos até então usados somente no que diz respeito aos avanços (Tabela
4).
Tabela 4 – Avanço de corte atual
Figura 18 – Desenho esquemático das profundidades
Após tais mudanças observamos que as brocas após cem peças usinadas
passaram a apresentar apenas um polimento em sua aresta de corte com
pequeno desgaste (Fig, 19, 20 e 21) e não mais um desgaste excessivo como
anteriormente. Contudo o polimento coincidia sempre em 1mm de comprimento na
Comprimento usinado (mm)
Avanço (mm/min)
5 90
7 90
18 130
30 130
18 130
5 90
33
aresta de corte, e esta inicial coincidência nos motivou a investigar a causa do
polimento e foi quando chegamos nas folgas do diâmetro interno das as buchas
guia.
Figura 19 - Broca com 150 e 125 peças usinadas apresentando, polimento e um pequeno desgaste (parâmetro atual).
Figura 20 - Detalhe do desgaste, broca 21 e 31 com 125 e 150 peças usinadas com parâmetro atual, polimento de 0,9 e 1,0 mm, respectivamente.
34
Figura 21 - Detalhe do desgaste, broca 65 com 200 peças usinadas com parâmetro atual, desgaste 1,0mm.
Trata-se de um problema clássico de folga excessiva entre a broca e a
bucha guia. Segue abaixo a medição das buchas e desenho esquemático (Fig. 22
e Tab 5):
Tabela 5 – Medições do Ø interno da bucha guia
Figura 22 Desenho da bucha com Ø2,505 +0,005
Abaixo segue figura 23:
Figura 23 - Detalhe do desgaste, broca 31 e 32 com 150 peças usinadas com parâmetro atual, desgaste 0,3 e 0,5mm e polimento de 1,0 e 1,1mm bucha conforme e bucha fora do
especificado respectivamente.
Nº Bucha
Diâmetro especificado
[mm]
Diâmetro encontrado
[mm] Observação
7 2,505 +0,005 2,5092 Sem uso
6 2,505 +0,005 2,5084 Sem uso
5 2,505 +0,005 2,5098 Sem uso
2 2,505 +0,005 2,5086 Sem uso
8 2,505 +0,005 2,5084 Sem uso
4 2,505 +0,005 2,5084 Sem uso
3 2,505 +0,005 2,5212 2 Refugos
1 2,505 +0,005 2,51 1 Refugo
9 2,505 +0,005 2,5202 Após 50 peças
10 2,505 +0,005 2,5101 Após 50 peças
11 2,505 +0,005 2,52 Após 464 peças
12 2,505 +0,005 2,51 Após 464 peças
35
Na conclusão explicamos a interferência que pela figura 23 parecia pouco
relevante e acabou fazendo com que parássemos o levantamento dos dados até
que novas buchas fossem construídas.
Após termos as novas buchas, construídas na classe de metal duro
correta, voltamos às avaliações das brocas, então tivemos um novo problema que
tornou-se cíclico: a cada lote de forjado tínhamos um comportamento diferente das
ferramentas. Tivemos brocas que ultrapassaram 300peças/afiação e outras que
com 10peças/afiação quebravam ou geravam refugo por desvio do furo.
No anexo 4 encontra-se a planilha com todos os valores de desgaste
encontrados com estes parâmetros. Utilizamos também um diário de bordo (anexo
6) onde foram anotados todos os dados importantes ocorridos durante os testes
tais como: quebra da ferramenta, refugo de peças, etc.
Neste ponto do projeto estávamos prontos para realizarmos os testes com
os outros óleos conforme cronograma anterior, e após debates com os membros
do grupo tínhamos decidido que todo lote que indicasse má usinabilidade no
processo anterior (torneamento e furação nas máquinas EMAG) seriam
descartados de nossa avaliação, afinal sabíamos que os lotes ruins estavam de
certa forma fora do especificado para o material Bosch e que a solução era muito
mais complexa e fora de nosso alcance, os detalhes desta discussão encontram-
se na conclusão. De qualquer forma as peças mesmo com problema na estrutura
estavam sendo liberadas segundo uma “liberação excepcional” até a solução
definitiva e teríamos que fura-las da mesma maneira.
Neste meio tempo enviamos amostras ao Tecpar dos óleos da Shell e da
Yushiro para as devidas análises, e ambos foram aprovados conforme anexo X . A
empresa Shell enviou os 800 L do DMI para realizarmos a troca imediata. Neste
momento a Robert Bosch solicitou um adiamento dos testes até que a segunda
Retco fosse instalada pois o aumento inesperado da produção tornava o teste
arriscado, pois caso um dos produtos falha-se poderíamos ter que gastar até dois
36
dias para normalizarmos o fornecimento, afinal o sistema Kanban introduzido no
mês de outubro impossibilitava que fizéssemos um pulmão de peças.
Como a nova data estipulada para o início dos testes não satisfazia a data
de entrega de nosso segundo relatório, pudemos mergulhar na tarefa que até
então parecia deixada pela metade devido aos problemas com o forjado que era
de realizarmos novos testes com parâmetros mais moderados para que desta
forma atingíssemos uma vida útil para qualquer que fosse o lote de peça.
As possibilidades foram discutidas com o Sr. Antonio Carlos, coorientador
do projeto, e sua proposta baseada principalmente no fato de que as brocas
estivessem com um comprimento por volta um pouco acima para a falta de
homogeneidade do material foi a seguinte:
Tabela 6 – Avanço de corte atual
Figura 24 – Desenho esquemático das profundidades
Os dados foram coletados na planilha padrão e estão no AnexoY.
3.2. Cronograma do Projeto
Anexo 5.
Comprimento usinado (mm)
Avanço (mm/min)
5
7
18
30
18
5
37
3.3. Recursos Necessários
Contamos neste projeto com o apoio técnico da empresa Robert Bosch,
mas precisamente na pessoa do Eng. Antonio Carlos Souza Neves, especialista
no processo de furação profunda.
Contamos também com o apoio técnico e teórico do Professor Doutor Neri
Volpato do CEFET-PR.
Para a realização dos testes tivemos a participação e paciência dos
colaboradores da seção produtiva CtW/S44, responsável pela usinagem do corpo
do UP.
38
4. SISTEMAS DE INFORMAÇÕES
Todas as informações das especificações comerciais solicitadas aos
fornecedores de óleo foram atendidas e serão usadas pela Robert Bosch nos
testes que serão realizados. Demais informações técnicas sigilosas foram
passadas na medida que o segredo de produção de cada uma não fosse
quebrado.
A empresa Botek, fornecedora da broca canhão foi atenciosa em ajudar-
nos nas parametrizações e na busca por alguma teoria sobre o processo de
furação profunda.
Os resultados ficam bem claros nas curvas de vida útil x desgaste
apresentadas na conclusão.
4.1. Check list
a. Informações técnicas dos fabricantes;
b. Laudos de irritabilidade e fichas padrões de materiais químicos da
Bosch;
c. Preço por litro do produto;
d. Parâmetros de corte atuais (rotação da broca, avanço da ferramenta,
pressão do óleo e ciclo de operação);
e. Curva de vida útil x desgaste;
f. Fotos de desgaste das ferramentas;
g. Número de afiações possíveis;
39
h. Carta CEP padrão Bosch;
i. Consumo de óleo durante o teste;
j. Cálculo de custo benefício para as propostas;
40
5. CONCLUSÃO - AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS
Com os primeiros parâmetros (tabela 3) ficou claro que as brocas
estavam sendo sub-utlizadas, a influência do problema com as buchas era mais
um agravante, mas passamos de 100peças para 200peças somente com a troca
dos parâmetros, o que mostra que seu peso era pequeno. O principal indicador de
desgaste prematuro era a marca de 1mm em todas as ferramentas com 50 peças,
que com as tentativas de aumento que foram até 100 e então até 125 mostraram
que ao contrário de ficar estável ela se agravava na aparência, causando
problemas de Rmáx em algumas peças, mas nunca foi além de 1,2mm (Figuras
16 e 17).
No anexo Z temos a curva de vida útil x desgaste com a indicação do
ponto de colapso.
Com a modificação dos avanços (Figura 18), nós conseguimos
reduzir este desgaste, mas um leve polimento se manteve na aresta em 1mm de
comprimento, e na afiação da broca tudo seria retirado, desgaste + polimento.
Assim nós iniciamos o aumento de vida das brocas até que o 1mm retirado da
ferramenta fosse realmente desgaste lateral (Figuras 21).
Essa variação grande na vida útil tem um embasamento teórico e
prático, em uma furação devemos entrar na peça com um avanço tal que não
comprometa o ciclo, mas que também não cause danos devido ao choque na
ponta e na aresta, quando parte da guia da broca canhão já esta dentro da peça
podemos elevar o avanço pois desta maneira a quebra do cavaco é mais eficiente
com mais material em contato com a aresta o material cisalha mais facilmente e a
rigidez axial da broca é melhorada impedindo que ela se desvie com facilidade. A
saída da broca também é uma etapa crítica da furação profunda, pois quando se
rompe a parede do material a quebra do cavaco fica exclusivamente por conta da
broca não mais pela ajuda da pressão do óleo e a broca vai gradativamente
41
perdendo a guia do furo, o que em casos de desbalanço geométrico do fuso pode
causar vibração da broca que desta forma tem a integridade da aresta de corte
comprometida. Com a redução do avanço a ferramenta tem menos possibilidade
de sofrer estes danos e de causar rebarbas na saída da peça.
A vida útil média para estes parâmetros foi de 200 peças por afiação
quando o desgaste é na média de 1mm (Figura 21), mas algumas brocas
chegaram a 300 peças, então começamos a investigar por que todas as brocas
não chegavam a tanto.
Levantamos as seguintes influências no rendimento das ferramentas: a
folga excessiva entre a bucha e a ferramenta, problemas na estrutura do material
do forjado e brocas com baixo fluxo. Todos estes casos foram investigados a
fundo como segue.
Introduzimos então um diário de bordo (Anexo 6) para que
pudéssemos relacionar as quebras com algum fator. Neste período a vida máxima
por broca era 100 peças. Ao final de uma semana notamos que a maior diferença
acontecia na troca de lotes de forjado e de fuso para fuso, sendo que tivemos até
15 refugos em um dia quando um lote ruim estava sendo usinado, sendo que o
normal para este processo é zero refugo. Com a intenção de aprofundar a análise
o setor de tratamento térmico da Bosch chamou os especialistas Alemães do
tratamento da peça e eles constataram uma anomalia em algumas peças (Figuras
24 e 25). A especificação da peça é: mínimo de 92% perlita e dureza na faixa de
36 a 40 HRC. Segundo eles nas fotos 24 e 25 vemos lamelas grandes de
martensita que apesar de não representar 8%, criam regiões de baixa resistência
dentro do material. Quando a broca canhão encontra esta área a tendência é que
o material empaste na ferramenta e provoque desde mau acabamento (Rz alto)
até quebra da mesma.
42
Figura 25 - Estrutura com presença não homogênea de martensita do corpo UP
Figura 26 - Estrutura com martensita laminar na cabeça UP
Lamelas
unidirecionais de
martensita na
cabeça do UP
Pontos de
Martensita
(Branco)
43
Figura 247 - Estrutura da cabeça UP conforme especificado
Na figura 26 vemos a estrutura padrão da peça, onde os problemas de
quebra não ocorrem.
Como dito anteriormente o problema do forjado foge de nossa
responsabilidade, temos consciência que nossos levantamentos e
acompanhamentos ajudaram a vincular este problema com a dificuldade de
usinabilidade de alguns lotes e que de todos os fatores citados foi o de maior
influencia até o fim do projeto, tornando-se um problema crônico que a produção e
nós conseguimos minimizar.
O problema com os fusos estava relacionado com as buchas guia de
broca canhão, fixadas em uma máscara junto a peça. A bucha do lado esquerdo
estava fora do especificado que é diâmetro interno de 2,500 mm +0,005mm. Ela
estava com 2,520mm, desta forma a folga entre a broca e a bucha estava
ocasionando refugo por furo fora de posição. A posição é medida no final do furo
92% de perlita e
martensita
homogênea
44
onde se encontra com outro furo de diâmetro 9,5mm (Figura 18). Um pequeno
desvio na entrada, provoca uma alteração na posição de encontro entre os furos
(final do furo de alta pressão).
Instalamos uma bucha nova dentro do especificado e após 50 peças
medimos. O diâmetro aumentou 0,01mm (Anexo 10), as medições foram feitas
numa máquina tridimensional da Zeiss. Fizemos mais 100 peças e o diâmetro
aumentou mais 1mm (Anexo 11), assim a bucha guia já estava com diâmetro
interno de 2,520mm. A partir desta medida o diâmetro da bucha não aumentou
mais e os refugos voltaram a ocorrer. Solicitamos ao setor de manutenção que
verificasse a geometria entre o fuso e a máscara da bucha e entre a máscara e o
centro de fixação da peça (Fig 27 e 28)
Figura 258 – Fixação da peça na máquina
Centro da
peça fixada
Fixação da peça na
máquina
45
Figura 29 - Esquema geométrico
Segundo a manutenção o alinhamento entre o diâmetro interno da
bucha e o centro do fuso da ferramenta estava menos de 0,01mm fora, o que não
poderia estar ocasionando as quebras, assim voltamos a focar a bucha guia.
Mandamos fabricar na ferramentaria da Bosch um jogo construído com
metal duro da LMT Bohlerit e instalamos na máquina. Realizamos a experiência
anterior e a variação de medida após 200 peças foi insignificante (anexo 12), o
mais importante foi que os refugos voltaram a zero e no período de avaliação mais
de um lote de forjado foi usinado. Todas as buchas que a produção possuía (10
peças) foram jogadas fora e foram solicitadas mais 10 do mesmo material junto a
ferramentaria.
A questão do problema do fluxo foi levantada junto com o da bucha guia,
pois as marcas de polimento sempre no mesmo lugar e quebras sem uma certa
Máscara com a Bucha
Guia PEÇA Fuso da Ferramenta
Linha de Geometria
46
lógica em vidas úteis diversas indicavam que algumas brocas poderiam estar com
o furo de óleo maior ou restringido.
Esta questão é puramente empírica, não existem valores para consulta.
Segue levantamento do fluxo de ar encontrado nas brocas, efetuada a medição
devido à presença da fase polida da aresta. A suspeita era que a vazão era
diferente nas brocas que além do polimento apresentavam desgaste no início e no
final do 1mm. A medição é realizada em uma bancada dedicada à esta função,
construída pela Robert Bosch Curitiba.
Tabela 7 - Comparação de fluxos de ar das brocas
Fluxo encontrado Situação da Broca
340 l/h nova
341 l/h usada
650 l/h Broca desviou
475 l/h Broca desviou
650 l/h Broca quebrada
350 l/h 125 peças
640 l/h 125 peças
345 l/h 150 peças
1800 l/h 150 peças
350 l/h 150 peças, primeiros parâmetros
345 l/h 150 peças, primeiros parâmetros
750 l/h 175 peças, primeiros parâmetros
750 l/h 175 peças, primeiros parâmetros
Pela tabela fica claro que esta questão não é relevante neste caso, pois
independente dela ser nova, usada até determinada vida útil e até mesmo
quebrada os valores não seguiram um padrão ou tenderam para uma média.
O cálculo da vazão segundo a área da seção reta do furo de óleo da broca
fornecida pelo fabricante da broca fica assim:
2
2
3
74,1
81,9
865
120
mmA
s
mg
m
Kg
barP
smQ
Q
AQ
VAQ
/10.205,0
78,117.10.74,1
78,117.
.
33
6
smV
V
PV
Pg
V
/78,117
865
10.12
.
..2
6
2
2
47
Que não tem nenhuma ligação com os dados coletados.
Os parâmetros da terceira experiência foram mais eficientes no que diz
respeito em deixar o processo confiável, pois até quando o EMAG indicava que o
lote era de forjado com problemas de homogeneidade a vida da ferramenta ficava
próximo dos 150 peças e com material bom chegava nas 200 peças/broca.
Os valores da tabela 5 foram adotados e a questão do desgaste ficou em
média 1mm como mostra o a ficha de coleta da terceira experiência no Anexo Y.
Mesmo com esta situação aceita como melhor ainda algumas peças
apresentam problema de desvio e são refugadas, mas uma broca pode gerar um
refugo na 10º peça usinada e então usinar até o final da vida útil e 200 peças.
Cortamos algumas peças refugadas devido à posição do furo fora do especificado,
notamos que a partir de 5mm de profundidade, o furo fica com aparência de
queima superficial e com riscos que podem estar relacionados com o
empastamento martensítico (fig. 30 e 31). O estudo para alteração no processo de
tratamento indica que a eliminação do problema só ocorrerá quando fornos iguais
os usados na Alemanha forem comprados pois forjados nacionais tratados lá não
tiveram problema algum. O gasto com ferramental em toda linha devido aos
problemas acabou justificando esta compra até meados de agosto teremos que
conviver com alguns lotes ruins.
Atualmente estamos monitorando as brocas com apenas 100 peças até
que o lote de forjado esteja conforme.
48
Figura 30 - Regiões de queima
Figura 31 - Superfície do furo de alta pressão riscada
Região de turbulência
e/ou esmagamento de
cavaco.
Regiões de
queima
superficial.
49
O gráfico de vida útil x desgaste do último parâmetro esta no anexo K. e
apesar de ter seu ponto de trabalho com vida útil menor que do segundo teste,
devemos considerar que com 150peças/broca os níveis de refugo são menores, a
quebra de broca é muito rara e o desgaste continua sendo igual ao do parâmetro
anterior. Desta forma temos nosso padrão aprovado.
Ressaltando que os três testes dos quais geramos curvas de vida útil x
desgastes não foram às únicas tentativas. Por ser um processo novo, com um
material até então desconhecido as tentativas foram diversas, mas as
mencionadas são as mais relevantes.
50
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ. Normas para Apresentação de
Documentos Científicos, volume 3 – Relatórios. 6. Ed. UFPR, 2000.
2. BACK, N., FORCELLINI, F. A. Projeto de Produtos, Apostila – UFSC,
1995.
3. HEISEL, Lutz. Pesquisa de fluidos de refrigeração e de lubrificação -
Revista Máquinas e Metais – Fev. 1988.
4. BERSENKOWITSCH. Medidas de segurança no manuseio de agentes
refrigerantes - Revista Máquinas e Metais – Mar. 2000.
5. MODERN METAL CUTTING. A practical handbook. Sandvik Coromant.
6. SANDVIK. Sharpening Instructions for Deephole Drills 2-13 -.1987.
7. SANDVIK Taladrado Profundo -1984.
8. CASTROL. Fluidos de Corte – Teoria e Aplicação.
51
9. RUNGE, Peter R.F. & Gilson N. Duarte. Lubrificantes nas Indústrias. -
Cotia – SP. 1990.
10. TEXACO. Teoria do Fluido de Corte - 1983.
11. STEMMER, Caspar Erich. Ferramentas de Corte II. Florianópolis – SC.
1995.
12. Mecânica.ufv.br Determinação das características lubrificantes de
fluidos de corte. Disponível na Internet.
http://www.mecanica.ufv.br/laboratorios/lepu/index.html
13. http://www.shell.com.br/
14. http://www.usinagem-brasil.com.br/artigostecnicos
15. http://www.cimm.com.br/materialdidatico/usinagem.shtml
52
7. Anexos 1 – Especificação técnica do óleo Ecocut 610 B
53
54
8. Anexo 2 – Teoria de Capabilidade de processo.
Análise de Capabilidade de Processo
A análise de capabilidade de processo é um exame a longo prazo de um
processo de fabricação, no qual devem ser considerados todos os fatores de
interferência e influência. Ela tem por finalidade comprovar que o processo de
fabricação a ser analisado é capaz de cumprir de maneira estável as exigências
qualitativas a ele impostas. Os fatores característicos x e s da distribuição das
características determinados no âmbito da análise, podem ser utilizados no cálculo
preliminar dos limites de controle para o controle estatístico do processo. O
procedimento detalhado da análise de capabilidade de máquina é parte do
seminário "Controle Estatístico do Processo CEP" /18/ publicação nº 7.
Instruções de Execução
A análise de capabilidade de processo segue o mesmo esquema da
análise de capabilidade de máquina.
Como o objetivo é o conhecimento mais abrangente possível da
performance do processo sob condições reais de produção, a análise de
capabilidade de processo se estende obrigatoriamente por um período maior de
tempo que a análise de capabilidade de máquina. A diferença formal básica entre
os dois procedimentos está na forma de retirada de amostras.
55
Amostragem
Em geral são retiradas no mínimo 20 amostras de 5 unidades em
intervalos regulares. O tamanho e o intervalo da amostra devem ser escolhidos de
acordo com o processo e definidos antes da análise de capabilidade de processo.
É necessário observar, por exemplo, vida útil de ferramenta, tamanho de
carga/lote, operações de usinagem, etc. É compreensível que para processos de
estampagem, injeção ou deformação sejam escolhidos intervalos maiores que nos
processos de remoção de aparas como torneamento ou retificação, em função da
vida útil de ferramentas.
Cálculo de cp e cpk com Distribuição Normal
Após a retirada da amostra e medição das peças, os valores medidos são
anotados na folha de avaliação em ordem cronológica de produção, em grupos de
5 (para tamanho de amostragem n = 5). Como na análise de capabilidade de
máquina, examina-se a uniformidade da performance do processo, da distribuição
das características e a estabilidade da posição média do processo. Os valores
medidos são anotados para um diagrama na carta (ficha) de valores individuais.
Os valores médios e os desvios padrão dos grupos de 5 são anotados nas
respectivas cartas (fichas) de valores individuais x e s para um diagrama.
Se as médias e desvios padrão estão dentro dos limites de estabilidade
(limite de controle)
LSC = x 1,3 s e LIC = x - 1,3 s
56
Para os valores médios e
LSC = 2,1 s
Para o desvio padrão, é calculado como estimativa para o desvio padrão do processo :
s
=
an
s é a média dos desvios padrão das amostras. x é o a média geral
calculada das médias x das amostras e an é um fator que depende do tamanho da
amostragem.
O índice de capabilidade de processo cp calcula-se:
T
cp =
6
T = Tolerância da característica
O índice de capabilidade de processo cp considera tão somente a
performance de dispersão dos valores medidos. Portanto, ele é indicado somente
para processos reguláveis.
O índice de capabilidade de processo cpk, ao contrário do índice cp,
considera ainda a posição da média na faixa de tolerância.
57
A distância da média em relação a um limite da faixa de tolerância não
pode ser inferior ao quádruplo do valor do desvio padrão do processo
O índice de capabilidade de processo cpk é calculado:
LST - x
cpk =
3
e
x - LIT
cpk =
3
O menor valor das duas relações é considerado.
O processo será considerado capaz, quando o valor calculado para cpk for
maior ou igual a 1.33.
cpk 1,33
O cálculo de cpk convém tanto a processos reguláveis como não
reguláveis.
Processos com Sistemática Inevitável
De 10 ciclos de usinagem não imediatamente consecutivos, as cinco
primeiras e as cinco últimas peças produzidas de cada ciclo são retiradas e
medidas. Os valores medidos são anotados em uma carta (ficha) de valores
individuais.
58
Dos maiores valores 10 5 é calculado uma média xo e um desvio padrão
so, assim como dos menores valores 10 5, uma média xu e um desvio padrão su.
Dos dois desvios padrão so e su é calculado um desvio padrão médio s.
s = so2
+ su2
2
Os respectivos índices são calculados:
MM = xo - xu
T = LST - LIT
s
=
an
T - MM
cp =
6
LST - xo
cpk = 1.33
3
xu - LIS
cpk = 1.33
3
59
Recursos para a Avaliação
Não é possível abranger todos os processos existentes na prática através
de uma classificação em alguns poucos tipos de processo. Portanto os exemplos
seguintes cobrem apenas alguns casos. Fundamentalmente, sempre poderemos
encontrar processos que não se enquadram neste esquema e que necessitam de
tratamento individual. A informação de índices de capabilidade calculados através
de índices estatísticos nem sempre é possível.
Medidos Valores Limitados por LST e LIT
Diagrama de valores individuais
Avaliação: Teste de estabilidade e cálculo de cm, cmk, cp, cpk:
Requisito: Os valores x 3 s na capabilidade de máquina e x 3 na
capabilidade de processo não podem ultrapassar a zona simétrica de 60%
(capabilidade de máquina) e 75% (capabilidade de processo) da faixa de
tolerância.
LST
Faixa
admissível
LIT
60
Fórmulas:
T
cm =
6 s
LST - x x - LIT
cmk = e cmk = 1.67
6 3 s
T
cp =
6
LST - x x - LIT
cpk = e cmk = 1.33
3 3
Valores Medidos Limitados por 0 e LST ou somente por LST
Diagrama de valores individuais
Avaliação: Teste de estabilidade e cálculo de cmk, cpk
LST
61
Requisito: Os valores x + 5 s na capabilidade de máquina e x + 4 na
capabilidade de processo não podem ultrapassar o limite superior de tolerância
LST.
Fórmulas:
LST - x
cmk = 1.67
3 s
LST - x
cpk = 1.33
3
Valores Medidos Limitados por um Valor Mínimo LIT
Diagrama de valores individuais
Avaliação: Teste de estabilidade e cálculo de cmk, cpk.
Requisito: Os valores x - 5 s na capabilidade de máquina
LIT
62
e x - 4 na capabilidade de processo, não podem ultrapassar o limite
inferior de tolerância LIT.
Fórmulas:
x - LIT
cmk = 1.67
3 s
x - LIT
cpk = 1.33
3
63
9. Anexo 3 – Tipos de guias de broca canhão
64
65
66
10. Anexo 4 – Planilha com os valores de desgaste
67
68
11. Anexo 5 – Cronograma do projeto
12.
13.
69
14. Anexo 6 – Planilha com diário de bordo
70
71
15. Anexo 7 – Laudo de irritabilidade do Ecocut 610B – Fuchs
72
73
16. Anexo 8 – FISP – Fuchs
74
75
17. Anexo 9 – Carta CEP do Ry do furo de alta pressão
76
77
18. Anexo 10 – Relatório dimensional do Ø2,510 da bucha guia
78
19. Anexo 11 – Relatório dimensional do Ø2,520 da bucha guia
79
20. Anexo 12 – Relatório dimensional do Ø2,508 da bucha guia
