poderá constituir um método indirecto denomeadamente, no que respeita ao desgaste

1. INTRODUÇÃO

Nesta investigação foram maquinados(torneados e furados) compósitos de matrizde alumínio (AA3561$iCIl7p) - comferramentas com insertos de diamantepolicristalino (PCD).

Em torneamento é comum definir oestado de carga na ferramenta pelas trêscomponentes ortogonais da força demaquinagem - a força de corte (Fc), a forçade avanço (Fa) e a força de penetramento(Fp), Fig. 1, enquanto que, na furação écomum utilizar a força de avanço (Fa) e obinário (Mz), Fig. 2. No caso de uma broca

avaliação do estado das ferramentas de corte,na face de saída

com as arestas de corte perfeitamenteafiadas ou com desgaste equilibrado asforças de penetramento -laterais- (Fy) nãosão significativas, ficando o estado definidopela força de avanço e pelo binário. Amedição das várias componentes destasforças foi efectuada por meio dedinamómetros piezoeléctricos (Ferraresi,1977), (Shaw, 1984), (Davim, 1995)(Davim et. ai, 1998).

O desgaste típico observado naspastilhas foi o desgaste linear na face desaída (principal) que é definido pela sualargura (VB) variável ao longo da aresta de

UMA ABORDAGEM AO DESGASTE DAS FERRAMENTAS E À SUARELAÇÃO COM AS FORÇAS DE CORTE EM PROCESSOS DE

MAQUINAGEM

1. Paulo Davim e A. Monteiro Baptista2

1 Professor Auxiliar, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Aveiro2 Professor Associado, Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial, Universidade do Porto

RESUMO

O presente artigo tem como objectivo apresentar os resultados de um estudo experimentalsobre o desgaste das ferramentas e sua relação com as forças de corte em processos demaquinagem (torneamento efuração). Foram obtidos exemplos de correiações lineares entreas forças de corte e o desgaste na face de saída das ferramentas. Concluiu-se que a força deavanço se revelou a componente mais sensível ao desgaste na face de saída das ferramentas.Posteriormente, foram obtidos resultados de uma análise em frequência efectuada ao sinalda força de avanço para diferentes tempos de corte e, consequentemente, diferentes desgastesna face de saída das brocas e pastilhas de corte. Concluiu-se que análise em frequência

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corte.

Na furação verificou-se que odesgaste, nas faces de saída principais dabroca, vai crescendo de uma formaaproximadamente linear, do eixo (ponto develocidade periférica nula) para a periferia,vértice (ponto de velocidade periféricamáxima). Verificou-se que, nesta zona, odesgaste mais intenso tende a arredondar ovértice da broca.

A ordem de grandeza dos desgastes amedir (centésimos de milímetro), exige autilização de meios ópticos com ampliaçãoadequada.

Para a medição rigorosa do desgaste,na face de saída ou folga das pastilhas decorte e das brocas foi utilizado ummicroscópio de oficina, com uma resoluçãonos carros de 1 j.tm.

A medição do desgaste linear na facede saída quer das pastilhas de corte quer dasbrocas foi efectuada do seguinte modo:

MEC- Movimento efectivo de corteMA- Movimento de avançoMC- Movimento de corte

Fa- Força de avançoFp- Força de penetramento

Fc- Força de corteFt- Força de apoio

Fm- força de maquinagem

Fig. 1 Sistema de forças aplicadas na ferramentadurante o torneamento.

Mz=Fc.d/2Fa = Fz = 2. Fz

MC-Móvimento de corteMA-Movimento de avançoMz-BinárioFa-Força de avançoFy-Força de penetramemto

• colocação da ferramenta (broca oupastilha), no posicionadoradequado fixado no carro demovimentos cruzados domicrõscópio.

• deslocação do carro longitudinalde forma a efectuar o zero domicrómetro numa zona nãodesgastada da aresta de pastilhaou no vértice da broca.

• deslocação do carro longitudinal,para zona B da Fig. 3 e medição

• do valor do desgaste em trêspontos da face de saída dapastilha, equidistantes entre si,VB1, VB2 e VB3; ou para o pontoA da Fig. 4 e medição do desgasteVBmáx. nas duas faces de saídada broca.

O desgaste na face de saída (VB) daspastilhas de corte foi obtido pelo cálculo damédia aritmética das leituras VBi, VB2 eVB3. Experiências por nós efectuadasmostraram que não existe vantagem emconsiderar um maior número de medidasdado que os resultados considerados forammuito próximos dos obtidos com trêsmedidas (Davim, 1997). Este estudo teveorigem nas rêcomendações de Tseng citadase verificadas por (Mesquita, 198$) segundoos quais diferentes tipos de medição do

Fig. 2 Sistema de forças aplicadas na broca durantea furação.

MC

Fm ft

54

fli\

1

raio!4

*+ 4 VrticePontoA ___—

Face de sada

Fig. 4 Medida do desgaste linear na face de saída(folga) numa broca.

mesmo desgaste na face de saída (VB)apresentam resultados diferentes podendoalterar de um modo significativo a vida daferramenta, se for este o critério de vidaempregue. De qualquer modo este mesmoautor refere que a determinação do valórmédio na zona B, conforme foi efectuadonesta investigação, parece ser o maisadequado dado que conduz a resultadosmais consistentes. A norma I$O 3685estabelece também que as medições paraobter o desgaste linear médio na face desaída devem ser efectuados na zona B,excluindo os desgastes típicos próximos dobico e do entalhe.

No que respeita ao desgaste linear naface de saída das brocas este foi obtido pelamédia aritmética das leituras do desgastelinear máximo (VBmáx) efectuado a 1/4 doraio da broca medido a partir do vértice decada uma das arestas de corte principais (nocaso geral da broca helicoidal são duasarestas). A escolha deste critério teve porbase um estudo ponderado, com vista aeliminar imprecisões que poderiam surgir sea leitura fosse efectuada no vértice da broca

que é uma zona de desgaste acentuado,rápido e de evolução imprevisível. Destemodo, procurou-se tal como foi referidopara as pastilhas de coite, evitar que a vidada broca fosse alterada de um modosignificativa se fosse utilizado o critério dodesgaste admissível na face de saída.

2. DESGASTE DAS FERRAMENTAS ESUA RELAÇÃO COM AS FORÇASDE CORTE

A influência que os diversos tipos dedesgaste exercem nas forças de corte temsido estudada há vários anos. Dë acordocom (Mesquita, 1988) as primeirasreferências ao efeito do desgaste dasferramentas de corte nas forças, datam de1960, e devem-se a Kobayashi e Thomsen,que ao analisarem as ferramentasverificaram a citada influência.

A medição contínua das forças decorte constitui, efectivamente, um métodode medida indirecta de avaliação do estadodas ferramentas de corte, incluindo odesgaste progressivo (Boothroy and Knight,1989).

Parece haver consenso, que no casodos novos materiais para ferramentas, nasquais se incluem as ferramentas cominsertos de PCD, e para as condições decorte usualmente empregues, o desgasteque ocorre de forma progressiva,controlável e preponderante é o desgaste naface de saída.

No torneamento as componentes daforça de maquinagem, de avanço e depenetramento são mais sensíveis aodesgaste linear na face de saída -VB- doque a componente de corte (força de corteprincipal), ao longo do tempo demaquinagem. Igualmente, na furação aforça de avanço é mais sensível ao desgastemáximo na face de saída -VBmáx.- do queo binário.

Verificámos que no caso dotorneamento foi possível obter ajustamentoslineares do tipo:

Faal +biVB

Fp = a2 + b2 VB

(1)

(2)

Fig. 3 Medida do desgaste linear da face de saída(folga) numa pastilha de torneamento (segundo a

norma ISO 3685).

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face de saída (VBmáx.) no binário (B).Fc=a3+b3VB (3)

sendo, Fa a força de avanço e Fp a força depenetramento e Fc a força de corte e VB odesgaste médio na face de saída da pastilha.

Os coeficientes de correlação obtidos foramquase sempre superiores a 0,95 excepto nocaso da equação (3).

No caso da furação foi possível obter umajustamento linear éom um coeficiente decorrelação superior a 0,90 do tipo:

Fa=c+ dVBmáx.

sendo Fa a força de avanço e VBmáx. odesgaste máximo na face de saída da broca.

Tentativas por nós realizadas mostraramque o ajustamento linear entre o bináriomedido e o desgaste máximo na face desaída da broca -VBmáx.- efectuado paravárias condições de corte apresentava umcoeficiente de correlação extremamente..baixo (sempre inferior a 0,35).

Finalmente, verificou-se que, tal comoacontece na maquinagem dos materiaistradicionais, a evolução da força de avançocom o tempo de corte é influenciada, de ummodo significativo, pelo desgaste na facede saída da ferramenta de corte, quer emtorneamento quer em furação (Baptista andDavim, 1995) e (Baptista and Davim, 1997)

A Fig. 5, apresenta exemplos de correlaçõestípicas obtidas, entre as forças de corte e odesgaste na face de saída, no torneamento ena furação (Davim e Baptista, 1998).

No torneamento foi possível estabelecerboas conelações entre a evolução dasforças de penetramento (Fp) e de avanço(Fa) e o desgaste médio na face de saída dapastilha (VB). A correlação obtida entre aevolução da força de corte (Fc) e o desgastemédio na face de saída da pastilha (VB) nãofoi tão boa.

Na furação apenas foi possível estabelecerboa correlação entre a evolução da força deavanço (Fa) e o desgaste máximo na face desaída da broca (VBmáx.) - medido a 1/4 doraio da broca a partir do vértice-. De acordocom estes resultados não parece haverqualquer influência do desgaste máximo na

De um modo geral, pensamos poderafirmar que a força de avanço se revelou acomponente mais sensível à evolução dodesgaste na face de saída das ferramentas.Contudo, em determinadas condições decorte as variações médias da força deavanço são muito pequenas e de difícildetecção. Note-se que a evolução dodesgaste ao longo do tempo de corte na facede saída das ferramentas com insertos dePCD é também extremamente lenta.

Neste contexto, uma análise em(4) frequência do sinal da força de avanço

poderá justificar-se, no sentido, de clarificaro seu conteúdo, nas componentes de váriasfrequências. Esta técnica, que iremosapresentar, poderá servir para diagnosticar aexistência de uma causa (desgaste na facede saída das ferramentas) em relação àprodução de sinais anormais (forças deavanço) durante o corte.

4 .

a)

4 4-I4-H--tl-j4I4I1 [-1-4-It4 [4 [14-11

b)

Fig. 5 Evolução das forças de corte com o desgastena face de saída.

a) Torneamento. b) Furação.

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3. ANÁLISE EM FREQUÊNCIA Com o recurso ao “software”O processamento e análise de um

sinal adquirido pode ser efectuadorecorrendo, entre outras às transformadasde Fourier e de Hilbert (Kailath, 1985),(Neweland, 1978), (Randal, 1992) e(Jonhson, 1997). O cálculo e a visualizaçãoda transformada rápida de Fourier (FFT),do espectro de potência (P$) e datransformada rápida de Hilbert (fHT) foiefectuado em “software” LabVIEW. Atransformada de Fourier estabelece umarelação entre o sinal e a sua representaçãono domínio da frequência. A sua defmiçãópara um sinal em função do tempo x(t) é aseguinte:

x(f)=f [x(t)J=fx(t) e2 dt(5)

sendo f a frequência.O algoritmo implementado no “software”LabVIEW é o Split-Radix que permitecalcular a FFT.

O especto de potência (P$) da funçãox(t) é definido do seguinte modo:

$(f)=x*(f) x(f)=x(f2 (6)

sendo X*(f) o conjugado do complexoX(f).

A transformada de Hilbert exprime arelação entre as partes real e imaginária datransfonriada de fourier de um sinalunilateral. Pode obter-se para atransformada de Hilbert a seguinteexpressão:

h(t) = H [x(t)J= -J x()d(7)

sendo jJ uma constante de tempo

Os detalhes sobre processamento •eanálise de sinal, que estão fora do objectivodeste trabalho, podem ser observados naextensa literatura da especialidade, da qualse cita alguma da consultada julgada maisrelevante (Kailath, 1985), Newe1and,1978), (Randal, 1992) e (Jonhson, 1997).

• LabVIEW e tendo em consideração que aforça de avanço (fa), conforme foianteriormente referido, se revelou acomponente mais sensível ao desgastelinear na face de saída das ferramentas,foram obtidos resultados da FFT, PS e FHTpara diferentes tempos de corte e,consequentemente, diferentes desgastes naface de saída quer- das brocas quer daspastilhas de corte (Davim et al., 1996).

A frequência de amostragem utilizadanos exemplos que iremos apresentar foi de1kHz. A dimensão da amostra representadafoi de 256 pontos. Houve o cuidado deutilizar frequências de aquisiçãoapropriadas para evitar o efeito de“aliasing”.

Na Fig. 6 podemos observar oresultado da análise em frequência do sinalda força de avanço (Fa) obtida emtomeamentQ, nas seguintes condições decorte, Vc35OmImin, a’O,lmm!rot eplmm com emulsão Alusol-B 8%.

Na Fig. 6 a) a referida análise foiefectuada ao resultado do ensaio 325 com apastilha no estado de quase nova(tcl,5min e VB=O,O7mm) e podemosobservar que a frequência principal seaproxima da frequência de rotação daárvore do torno, parecendo não existir outrafrequência com significado quandocomparada com esta. Ao contrário, na Fig.6 b) a mesma análise foi efectuada aoresultado do ensaio 351 realizado com umapastilha após um tempo de corte de cerca de22 minutos e consequente desgasteVBO,29mm. Observámos, neste caso, aexistência de outras frequências comamplitudes superiores.

Na Fig. 7 podemos observar oresultado da análise em frequência do sinalda força de avanço (Fa) obtida na fliraçãonas seguintes condições de corte,VcSOmImin e a0,lmmlrot. com emulsãoAlusol-B 8%.

Na Fig. 7 a) a referida análise emfrequência foi efectuada ao resultado doensaio 645 realizado com a broca no estadode quase nova (tc l5s e VBmáx.=O,O5mm)e podemos observar, também, que a

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frequência principal se aproxima dafrequência da rotação da broca, parecendonão existir outra frequência com significadoquando comparada com esta. Na fig. 7 b) amesma análise foi realizada ao resultado doensaio 865 efectuado com urna broca apósum ternp& de corte de cerca de 11,5minutos e um desgaste VBrnáx.=O, l2mrn.Observou-se, neste caso, um aumento daamplitude do sinal da frequência principal.

Com base nos exemplosanteriormente apresentados, pensamospoder propor um método indirecto daavaliação do estado das ferramentas decorte, nomeadamente no que respeita aodesgaste na face de saída. A suaaplicabilidade poderá ser interessantequando o aumento do valor médio da forçade avanço não for um indicador fiável.

Fig. 6 Análise em frequência do sinal da força de avanço (Fa) obtida em torneamento, com a pastilha N°40,Vc=350m/mm, a=O,lmmlrot e p=lmm com emulsão Alusol-B 8%

a) Ensaio 325, tempo de corte l,5 mm, VB=0,O7mm.

b) Ensaio 351, tempo de corte 22 mm, VB=O,29mm.

58

Fig. 7 Análise em frequência do sinal da força de avanço (Fa) em furação, com a broca N°2, Vc=5Onilmin,a=O,lnimlrot com emulsão Alusol-B 8%.

Com base no sinal da força deavanço, seria necessário definir um espectrocaracterístico da situação limite deutilização da ferramenta com o qual seriamnecessariamente comparados os espectrosque fossem sendo obtidos durante autilização.

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A análise dinâmica dos processos decorte por arranque de apara utilizados nestainvestigação -furação e torneamento- foiefectuada com recurso à medição, emcontínuo, das forças de corte.

Observámos que para ferramentas deinsertos de PCD a evolução das

a) Ensaio 645, tempo de corte 15s, VBmáx.=O,O5mm.

c) Ensaio 865, tempo de corte ll,5 mm, VBmáx.=O,l2mm.

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componentes - de avanço, de penetramentoe de corte-, no torneamento, e do binário eda força de avanço, na furação, foi lenta eprogressiva tal como o desgaste na face desaída.

As componentes que se revelarammais sensíveis ao efeito do desgaste foram aforça de avanço e de penetramento, notorneamento, e a força de avanço, nafuração. O binário revelou-se, menossensível à variação do desgaste na face desaída das brocas.

Deste modo, cómo a variação dovalor da força de avanço -em torneamento e•furação- foi relativamente pequena aolongo do tempo corte, embora exista umacorrelação excelente entre o valor destaforça e o desgaste na face de saída(efectuámos regressão linear para asdiversas condições de corte ensaiadás tendoobtido coeficientes de correlação RO,95em geral), efectuamos a análise desta forçano domínio da frequência -tranformadarápida de Fourier (FFT) e espectro depotência (PS). Verificámos que esta análisepermite identificar alterações significativas,em frequência, da força de avanço ao longodo tempo de corte e, consequentemente, dodesgaste na face de saída da ferramenta.Assim, e de acordo com algumas das nossasexperiências e das quais apresentámosexemplos, esta técnica poderá constituir ummétodo indirecto de avaliar o estado daferramenta no que respeita ao desgaste naface de saída. Pensamos que a aplicaçãodesta técnica poderá ser vantajosa emtermos de rentabilizar a vida da ferramenta.

finalmente, apresentamos de ummodo sintéctico as conclusões a retirar donosso estudo:

as três componentes -avanço,penetramento e corte- da força demaquinagem no torneamento,aumentaram com o desgaste naface de saída das pastilhas decorte. As forças de avanço e depenetramento mostraram-se maissensíveis a este factor.

a força de avanço, na furação,aumentou com o desgaste na facede saída das brocas. O binário

não se mostrou sensível a esteaumento de desgaste. A forçalateral, na base da broca mostrouse sobretudo Sensível a umdesequílibrio de desgaste nasduas faces de saída principais dabroca.

a análise em frequência da forçade avanço quer em furação querem torneamento, dado que foi acomponente que maiorsensibilidade revelou ao desgastena face das ferramentas, constituium método promissor, paradetectar indirectamente aevolução deste desgaste nasferramentas, ao longo do tempode corte. Nesta análise utilizou-sea transformada rápida de Fourier(FfT) e o espectro de potência(PS).

REFERÊNCIAS

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