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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
CINTHIA CRISTINA FONSECA COELHO
ESTUDO DO PROCESSO DE ROSQUEAMENTO INTERNO POR
CONFORMAÇÃO E USINAGEM USANDO DIFERENTES TIPOS DE
CABEÇOTES ROSQUEADORES E SISTEMAS DE LUBRIRREFRIGERAÇÃO
São João del-Rei, Dezembro de 2017
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
CINTHIA CRISTINA FONSECA COELHO
ESTUDO DO PROCESSO DE ROSQUEAMENTO INTERNO POR
CONFORMAÇÃO E USINAGEM USANDO DIFERENTES TIPOS DE
CABEÇOTES ROSQUEADORES E SISTEMAS DE LUBRIRREFRIGERAÇÃO
Dissertação apresentada ao Programa de
Mestrado da Universidade Federal de São
João del-Rei como requisito para a obtenção
do título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Área de Concentração: Materiais e
Processos de Fabricação.
Orientador: Prof. Dr. Lincoln Cardoso
Brandão.
São João del-Rei, Dezembro de 2017
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
ESTUDO DO PROCESSO DE ROSQUEAMENTO INTERNO POR
CONFORMAÇÃO E USINAGEM USANDO DIFERENTES TIPOS DE
CABEÇOTES ROSQUEADORES E SISTEMAS DE LUBRIRREFRIGERAÇÃO
Autor: Cinthia Cristina Fonseca Coelho
Orientador: Prof. Dr. Lincoln Cardoso Brandão
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
São João del-Rei, 07 de dezembro de 2017
AGRADECIMENTOS
aos meus familiares, pelo apoio constante e incondicional;
ao meu orientador Prof.° Dr. Lincoln C. Brandão, pela relação de confiança e companheirismo
durante todo o tempo;
ao meu marido Juarez Neto e minha filha Isadora, pelo carinho e força nos momentos difíceis;
aos meus grandes amigos e profissionais da empresa Magneti Marelli;
aos professores Dr. Frederico Ozanan e Dr. Sandro Silva pela presença na banca examinadora e
críticas construtivas elaboradas;
aos alunos do curso de Engenharia Mecânica da UFSJ pela ajuda durante os experimentos;
meus mais sinceros agradecimentos.
Sumário Lista de Figuras 7
Lista de Tabelas 9
RESUMO 10
ABSTRACT 11
INTRODUÇÃO 12
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 16
1.1 Rosqueamento externo 20
1.2 Rosqueamento interno 27
1.3 Sistemas de Fixação 36
1.3.1 Cabeçote com compensação axial 37
1.3.2 Cabeçote Softsyncro 40
1.3.3 Cabeçote auto reversor 41
1.4 Sistemas de Lubrirrefrigeração 43
1.5 Planejamento experimental 46
2 MATERIAIS E MÉTODOS 49
2.1 Ferramentas 49
2.2 Material 50
2.3 Centro de Usinagem 51
2.4 Equipamentos 52
2.5 Cabeçotes rosqueadores 53
2.6 Planejamento estatístico e experimental 53
3 ANÁLISE DOS RESULTADOS 56
3.1 Torque obtido nos testes experimentais 56
3.2 Força axial obtida nos testes experimentais 57
3.3 Análise estatística dos resultados experimentais 59
3.4 Discussão dos resultados experimentais 67
4 CONCLUSÕES 78
5 REFERÊNCIAS 79
7
Lista de Figuras
Figura 1. Geometria do perfil de rosca de acordo com a NBR ISO 724 (ABNT, 2004) .... 18
Figura 2. Detalhes geométricos dos perfis de rosca (SANDVIK, 2010). ............................ 19
Figura 3. Detalhe geométrico do ângulo de hélice () (SANDVIK, 2010) ........................ 19
Figura 4. Torneamento externo de roscas (Adaptado de Sandvik, 2010) ........................... 20
Figura 5. Detalhe do processo de rosqueamento externo com cossinetes ........................... 22
Figura 6. Detalhe do processo de rosqueamento externo por turbilhonamento (Adaptado de
Sandvik, 2010) ..................................................................................................................... 22
Figura 7. Detalhe do processo de roscamento externo com fresas de rosca (Adaptado de
Kennametal, 2017)............................................................................................................... 23
Figura 8. Processo de laminação de rosca; a) cabeçote com dois rolos laminadores (Fette,
2017) e b) pentes laminadores (Wiesenfeld, 2015) ............................................................. 24
Figura 9. Rosqueamento interno com macho de corte (Kisos, 2017).................................. 28
Figura 10. Rosqueamento interno com macho laminador (Emuge-Franken, 2010) ........... 29
Figura 11. Fresamento interno de roscas (Emuge-Franken, 2010)...................................... 29
Figura 12. Etapas do processo de fresamento de roscas (CARLA ARAUJO et al., 2006) . 30
Figura 13. Detalhe dos perfis de rosca com machos laminadores; a) Rosca produzida sem
cabeçote de compensação axial e b) Rosca produzida com cabeçote de compensação axial
Oliveira (2016) .................................................................................................................... 37
Figura 14. Cabeçote com sistema de compensação axial (Sanches Blanes, 2017) ............. 39
Figura 15. Cabeçote com sistema de compensação axial e radial (Sanches Blanes, 2017) 40
Figura 16. Cabeçote com sistema SofSyncro (Emuge Franken, 2010) ............................... 40
Figura 17. Cabeçote com sistema auto reversível (Sanches Blanes, 2017) ......................... 41
Figura 18. Macho de corte empregado nos testes experimentais (Emuge Franken, 2010) . 49
Figura 19. Macho laminador empregado nos testes experimentais (Emuge Franken, 2010)
............................................................................................................................................. 50
8
Figura 20. Detalhe do corpo de prova usado nos experimentos (Fonte: autoria própria) ... 51
Figura 21. Centro de usinagem usado nos experimentos (Fonte: Autoria própria) ............. 52
Figura 22. Modelo do Dinamômetro usado nos experimentos (Kistler, 2017) ................... 52
Figura 23. Detalhe do sistema de fixação nos testes experimentais .................................... 54
Figura 24. Gráfico comparativo dos Momentos Mz para velocidade de 27 m/min (Fonte:
Autoria própria) ................................................................................................................... 57
Figura 25. Gráfico comparativo das Forças Axiais Fz para velocidade de 27 m/min (Fonte:
Autoria própria) ................................................................................................................... 59
Figura 26. Gráfico de efeitos principais para o torque (Fonte: autoria própria) .................. 62
Figura 27. Gráfico de efeitos principais para a força de avanço (Fonte: autoria própria) ... 62
Figura 28. Gráfico de efeitos principais para o tempo (Fonte: autoria própria) .................. 63
Figura 29. Gráfico de Interação de dois fatores para o torque; a)Lubrificação*Cabeçote;
b)Lubrificação*Processo; c)Lubrificação*Velocidade e d)Cabeçote*Processo) ................ 65
Figura 30. Gráfico de Interação de dois fatores para a força axial; a)lubrificação*Cabeçote
e b)Cabeçote*Processo) (Fonte: Autoria própria) ............................................................... 65
Figura 31. Gráfico de Interação de dois fatores para o tempo; a)Lubrificação*Cabeçote e
b)Cabeçote*Velocidade) (Fonte: Autoria própria) .............................................................. 66
Figura 32. Gráfico de Interação de três fatores para força axial
(Lubrificação*Cabeçote*Processo) (Fonte: Autoria própria) ............................................. 67
9
Lista de Tabelas
Tabela 1. Tipos de Planejamentos, caracterização, aplicação, estrutura e informações
obtidas .................................................................................................................................. 47
Tabela 2. Propriedades químicas da liga Al 7075-T651 ..................................................... 50
Tabela 3. Parâmetros de entrada estudados e seus respectivos níveis ................................. 54
Tabela 4. Esquema dos blocos utilizados para cada experimento. ...................................... 55
Tabela 5. Análise de variância para os valores de torque Mz [N.m], força axial Fz [N] e
tempo [s] (Fonte: Autoria própria) ...................................................................................... 60
10
Coelho, C. C. F. Estudo do processo de rosqueamento interno por conformação e usinagem
usando diferentes tipos de cabeçotes rosqueadores e sistemas de lubrirrefrigeração.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei, São João del-Rei,
2017.
RESUMO
O rosqueamento está presente em todos os processos de fabricação industriais modernos.
Roscas internas ou externas são manufaturadas para permitir uma perfeita e precisa
montagem de componentes mecânicos. Da fabricação de parafusos comerciais empregados
em fixações, passando por fusos para transmissão de movimentos, parafusos micrométricos
de instrumentos de medição até os parafusos empregados em implantes dentários e ósseos.
O perfil roscado está sempre presente na vida moderna. Considerando os processos de
fabricação de roscas internas e externas, pode-se definir que existem basicamente os
processos de laminação de roscas e de usinagem de roscas. Os processos de rosqueamento
internos têm suas particularidades para a geração do perfil de rosca e necessitam de estudos
frequentes devido ao surgimento constante de novos materiais. Considerando a dinâmica
do processo de rosqueamento interno, os cabeçotes rosqueadores e os sistemas de
lubrirrefrigeração tem grande importância na qualidade e tempo de produção de roscas.
Este trabalho foi desenvolvido com o foco no processo de rosqueamento interno de roscas
M10 com passo de 1,5 mm na liga de Alumínio 7075-T6 empregando três cabeçotes
rosqueadores diferentes e dois sistemas de lubrirrefrigeração. O torque e a força de avanço
nos processos de corte e laminação foram comparados empregando-se um dinamômetro
Kistler modelo 9272. Os resultados mostram que o rosqueamento com aplicação do
sistema de MQL produziu os menores valores de torque Mz independentemente do tipo de
processo. Por outro lado, o uso de emulsão gerou os menores valores de força axial Fz. O
comportamento dos esforços de rosqueamento, torque Mz e força axial Fz, foram inversos
para os cabeçotes de rosqueamento empregados, entretanto, o cabeçote de Emuge foi o que
apresentou um comportamento intermediário com valores médios. O processo de
rosqueamento por laminação apresentou os maiores esforços de torque Mz e força axial Fz
quando comparado com o rosqueamento por usinagem. A variação da velocidade de corte
e/ou laminação interferiu no torque Mz e na força axial Fz, nos dois processos de
rosqueamento, e produziu os maiores valores tanto para o torque Mz como para a força
axial Fz quando foram empregados os menores valores de velocidade.
Palavras-chave: Usinagem de Roscas, Conformação de Roscas, Torque, Força axial.
11
Coelho, C. C. F. Study of tapping process by forming and machining using different
threading heads and cooling/lubrication sistems. Thesis (Master Degree) – Federal
University of São João del-Rei, São João del-Rei, 2017.
ABSTRACT
Threading is present in all modern industrial manufacturing processes. Internal or external
threads are manufactured to allow a perfect and precise assembly of mechanical
components. From the manufacture of commercial screws used in fastening, through
spindles for transmission of movements, micrometric screws of measuring instruments to
the screws used in dental and bone implants the threaded profile is always present in
modern life. Considering the manufacturing processes of internal and external threads, it
can be defined that there are basically the forming and machining processes. The tapping
processes have their peculiarities for thread profile generation and require frequent studies
due to the constant appearance of new materials. Considering the dynamics of the tapping
process, the threading heads and the cooling/lubrication systems have great importance in
the quality and time of thread production. This work was developed with the focus on the
tapping process of M10 threads with 1.5 mm pitch in the 7075-T6 Aluminum alloy using
three different threading heads and two cooling/lubrication systems. The torque and thrust
force in forming and machining tapping were compared using a Kistler dynamometer
model 9272. The results showed that tapping process with application of the MQL system
produced the smallest Mz torque values independently of the type of tapping process. On
the other hand, the use of emulsion generates the lowest Fz thrust force values. The
behaviour of Mz torque and Fz thrust force were inverse for the threading heads used,
however, the Emuge threading head was the one that presented an intermediate behavior
with average values. The forming tapping process showed the greatest Mz torque and Fz
thrust force values when compared to cutting tapping. The variation of cutting and/or
forming speed interfered on the Mz torque and Fz thrust force for both threading processes
and produced the highest values Mz torque and Fz thrust force when the lowest speed
values were applied.
Keywords: Machning tapping, Forming Tapping, Torque, Thurst Force,
12
INTRODUÇÃO
Desde a revolução industrial os processos de manufatura vêm sendo constantemente
otimizados com o objetivo de redução de tempos, custos, melhoria de ferramentas,
concepção de máquinas e dispositivos mais robustos e precisos, entre outros. Todos estes
esforços, por parte de pesquisadores, engenheiros e operários de chão de fábrica, têm como
foco a melhoria da qualidade dos produtos. Todos os processos de manufatura atuais como,
por exemplo, torneamento, fresamento, furação, brocheamento, rosqueamento, retificação,
entre outros, são estudados em cada detalhe para que se possa aumentar produtividade com
redução de custos e tempos.
Dentre os processos de manufatura, o rosqueamento é um dos processos mais
amplamente empregados na indústria moderna. Pode-se considerar, basicamente, que a
maior parte dos componentes industriais apresentam regiões roscadas com o objetivo de
fixação de dois ou mais componentes ou a movimentação linear de peças com precisão. De
um simples instrumento de medição como o micrômetro até os modernos fusos de esferas
recirculantes, o uso de regiões roscadas está fortemente presente no cotidiano industrial.
Deve-se considerar que roscas são peças relativamente simples que são formadas por
sulcos em peças ou regiões mecânicas geralmente com formato circular, em alto ou baixo
relevo, sendo estas peças denominadas parafusos, quando esses sulcos são formados na
superfície externa e porcas quando os sulcos são formados na superfície interna de um
furo. Desde a sua concepção como produto industrial, roscas têm sido aplicadas nas mais
diversas opções na vida moderna dos homens e mulheres.
O processo de rosqueamento é um dos processos mais simples e rápido de ser
realizado, sendo um dos processos de manufatura que mais agrega valor no componente
industrial. Na linha de produção industrial os perfis de rosca internos, por exemplo, são os
últimos a serem realizados, pois na sequencia os componentes industriais já são
direcionados para as linhas de montagem de outros componentes. Isto demonstra que
sempre deve haver uma grande preocupação com a qualidade, resistência e tolerâncias dos
perfis de roscas que estão sendo produzidos.
Considerando o processo de produção de roscas, Badami; Hege; Patterson (2003)
afirmam que para o processo de rosqueamento existem apenas duas técnicas de produção
que são a usinagem e laminação dos perfis de rosca. Entretanto, a configuração e
ferramental de cada processo são completamente diferentes. Na prática o processo de
rosqueamento por usinagem, como o próprio nome já diz, provoca o corte e gera a
13
remoção do material da região do perfil de rosca transformando este volume removido. Por
outro lado, no processo de laminação de roscas, existe uma movimentação do volume de
material na região de trabalho que gera a formação de um filete de rosca sem remoção de
cavaco.
Estas questões sobre a formação de cavaco são tópicos importantes de serem
discutidos nas pesquisas sobre manufatura, pois o cavaco tem a função de retirar a maior
parte do calor gerado no processo de usinagem (SHAW, 2010). Porém, no caso do
processo de rosqueamento o mesmo fica retido dentro do furo até a total remoção do
macho de corte. Além disso, boa parte do cavaco gerado no processo de rosqueamento
ainda fica retida dentro do furo sendo retirada em oper ações posteriores de limpeza.
Como processo alternativo temos o rosqueamento por laminação que não gera
cavacos e elimina esta etapa posterior de limpeza que provoca aumento de tempos de
produção. Entretanto, segundo Frometin et al. (2005) e Carvalho et al. (2012) o processo
de laminação de roscas apresenta alguns pequenos defeitos como, por exemplo, perfis de
rosca incompletos, principalmente na região da crista da rosca, que tem tornado a sua
aceitação nas linhas de produção mais resistente.
Pode-se considerar que o conhecimento sobre ambos os processos por rosqueamento
ainda são limitados. Não existem estudos exatos que comparam, por exemplo, a
resistências das roscas com base nestes pequenos defeitos citados anteriormente. Além
disso, todos os materiais podem ser roscados com machos de corte e serem produzidas
roscas com boa qualidade . Por outro lado, o processo de laminação de rosca apresenta um
fator limitante que é a ductilidade dos materiais. Praticamente, torna-se impossível a
fabricação de roscas em materiais endurecidos.
Conforme comentado anteriormente, o processo de rosqueamento é extremamente
rápido, primeiro pelo fato das regiões roscadas serem fabricadas em furos com
comprimentos de no mínimo 1,5 vez o diâmetro do furo. Para uma rosca M10 tem-se, por
exemplo, um comprimento padronizado mínimo 15 mm, mas com um limitante de
comprimento em função de geometria da peça que se deseja fabricar. Por outro lado, o
avanço da ferramenta, que é proporcional ao passo é alto comparado a outros processos,
provoca um deslocamento extremamente rápido para a ferramenta.
Todos estes fatores influenciam diretamente nos tempos de produção de roscas
internas ou externas, sejam produzidas por rosqueamento por usinagem ou por
rosqueamento por laminação. Outros fatores que devem ser levados em conta é o sistema
14
de lubrirrefrigeração que tem influência direta na qualidade do perfil de rosca. Segundo
Ribeiro Filho et al. (2017) os sistemas de MQL apresentam grande eficiência considerando
a economia de óleo e a lubrificação da região de corte ou laminação de perfis roscados.
Entretanto, existe uma grande dificuldade de aplicar corretamente o fluido por MQL na
região de rosqueamento devido ao fato desde estar na forma de pequenas gotículas.
Basicamente, considerando-se o uso de sistemas de lubrirrefrigeração o que se deseja
no processo de rosqueamento é aumentar a lubricidade na região de interface
material/ferramenta, pois a temperatura do processo de rosqueamento é muito alta
considerando o fluxo de calor inserido no processo, a dimensão da seção usinada é muito
pequena e o tempo de fabricação das roscas é relativamente alto (BRANDÃO, COELHO;
LAURO; 2011), este aumento de lubricidade diminui o atrito e pode interferir diretamente
nos esforços de fabricação no processo de rosqueamento.
Além dos sistemas de lubrirrefrigeração, os cabeçotes rosqueadores são dispositivos
essenciais para a fabricação de roscas. Estes dispositivos são projetos para compensarem
os esforços de torque, quando estes atingem o limite máximo do cabeçote com o objetivo
de evitar a quebra das ferramentas. Outra compensação necessária é a axial que permite
manter o sincronismo do avanço com a rotação da ferramenta, evitando que o perfil de
rosca se deforme durante o processo.
Atualmente, existem diversos modelos e tamanhos de cabeçotes rosqueadores, mas a
correta aplicação destes dispositivos segue padrões definidos pelos fabricantes. Entretanto,
considerando as disponibilidades de materiais na indústria metal/mecânicas e a evolução
das ferramentas, os estudos com foco na definição de qual sistema de lubrificação,
cabeçote rosqueador e valor de velocidade de corte e/ou laminação é mito amplo gerando
uma matriz de opção com diversas respostas.
Dessa forma, estudos que vista a otimização dos processos de rosqueamento ainda
são modestos e precisam ser ampliados com pesquisas que sejam completas e que
englobem todos estes parâmetros de processo e suas influencias sobre os esforços de
fabricação das roscas. Portanto, o foco deste trabalho está direcionado para um estudo com
diferentes cabeçotes rosqueadores, dois sistemas de lubrirrefrigeração e com dados de
processo que estão inseridos dentro da faixa de velocidades de corte e/ou laminação
recomendada pelo fabricante.
Assim, este trabalho está dividido em seis capítulos incluindo as referências que são
explicados de forma resumidamente abaixo.
15
Introdução: este capítulo visa contextualizar o tema em questão que é o processo de
rosqueamento e sua importância para o setor produtivo
Revisão Bibliográfica: neste capítulo são apresentados os principais tipos de
processos de rosqueamento com suas variantes do processo de usinagem e laminação, os
diferentes tipos de cabeçotes e o uso de sistemas de resfriamento;
Metodologia: nesta etapa são apresentados todos os equipamentos empregados nos
testes experimentais, como cabeçotes, ferramentas, centro de usinagem, e as estratégias de
condução dos experimentos;
Analise dos resultados: neste capítulo são apresentados os gráficos de tabelas
demonstrando o comportamento de cada teste realizado durante os processos de
rosqueamento por usinagem e por laminação.
Conclusões: neste capítulo estão apresentadas as principais conclusões obtidas neste
trabalho;
Referencias: neste capítulo são apresentadas as principais referências utilizadas para
contextualizar todo o trabalho.
16
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Roscas são sulcos em peças mecânicas geralmente com formato circular, em alto ou
baixo relevo, sendo estas peças denominadas parafusos, quando esses sulcos são formados
na superfície externa e porcas quando os sulcos são formados na superfície interna de um
furo. Embora a data exata da invenção das roscas mecânicas ainda permaneça indefinida,
atribui-se ao filósofo e matemático pitagórico Arquitas de Tarento a invenção das roscas
mecânicas (ENCICLOPÉDIA BRITÂNICA DO BRASIL, 1992).
Desde a sua concepção como produto industrial, roscas têm sido aplicadas nas mais
diversas opções na vida moderna dos homens e mulheres. Da mais simples fixação de um
quadro em uma parede por um sistema parafuso/bucha até os mais complicados
componentes mecânicos como motores de combustão, peças de navios e aviões até
componentes de máquinas, as roscas estão presentes no cotidiano e chegam a passar
despercebidas devido a sua natureza simples, ou podem gerar grandes preocupações devido
a sua responsabilidade de fixação.
Pode-se afirmar que existem quatro características básicas que devem ser
consideradas no projeto de uma rosca, sendo essas características; o material que é feito a
rosca, o tamanho do perfil de rosca considerando seu comprimento e seu diâmetro, o
número de filetes que serão fabricados em um determinado comprimento podendo serem
medidos em milímetro ou polegada e finalmente a espessura do filete ou sulco,
denominadas tecnicamente de roscas finas ou roscas grossas.
Cada uma dessas aplicações de rosca tem um direcionamento especial que a torna
mais ou menos importante ou mais ou menos difícil de ser fabricada. Da fabricação de
roscas externas em liga de titânio conforme estudado por Teixeira (2017) empregando
processos de laminação para aplicações especiais. Ou sendo estudada em ferro fundido
conforme Pereira (2010) para aplicação nos tradicionais blocos de motores de automóveis,
as roscas e regiões roscadas tem sempre sido estudadas melhoradas e pensadas de forma
que, possam ser manufaturadas mais rápido com mínimos erros e máxima qualidade.
Segundo a NBR ISO 724 (ABNT, 2004) os filetes das roscas apresentam perfis
específicos com geometrias bem definidas, sendo que que esses perfis devem apresentar
uma uniformidade, e são eles que denominam o tipo de rosca e definem sua aplicação.
Existem basicamente os seguintes perfis das roscas padronizados:
17
Rosca triangular: são normalmente empregadas em parafusos e porcas de fixação
na união de componentes mecânicos. O exemplo mais simples e mais comum exemplo
seria a fixação da roda do carro;
Rosca trapezoidal: são fabricadas para serem empregadas em parafusos que
transmitem movimento em máquinas e equipamentos específicos. Pode-se citar neste caso
com exemplo prático o fuso de tornos mecânicos;
Rosca redonda: são roscas de aplicação específicas e usadas em parafusos de
grandes diâmetros sujeitos a grandes esforços de fixação. O exemplo mais clássico e de
aplicação mais comum são os equipamentos ferroviários;
Rosca quadrada: o desenvolvimento deste tipo rosca é para a aplicação em
parafusos que são submetidos a grandes esforços de tração e/ou impacto. Pode-se citar
neste caso os parafusos de prensas mecânicas e morsas de bancada;
Rosca dente de Serra: os parafusos que empregam este tipo de rosca são
desenvolvidos para exercerem esforço apenas em um sentido. O exemplo mais clássico são
os macacos de catraca.
Considerando a aplicação de roscas, os dois tipos mais utilizados são o sistema
métrico e o sistema em polegada que denominam esses tipos de roscas. Segundo a NBR
ISO 724 (ABNT, 2004), os perfis de rosca métrica apresentam um ângulo de 60 graus e o
perfil de rosca em polegada apresentam um ângulo de 55 graus. Estes perfis são os mesmos
quando se consideram os perfis de rosca fina, porém para roscas finas o passo da rosca
métrica é menor e no caso das roscas em polegada o número de fios em um comprimento
de uma polegada é maior.
Com base ainda na geometria dos filetes, as roscas podem ser divididas em roscas
esquerda e direita que variam conforme o sentido da inclinação da hélice do perfil das
roscas. A aplicação do tipo de rosca direita ou esquerda dependerá principalmente da
fixação do elemento mecânico que se pretende unir, pois roscas esquerdas são empregadas
em sistemas rotativos, onde mantendo-se o sentido do giro do equipamento, normalmente
com rotação no sentido horário, a montagem ficará sempre fixada com o mesmo torque de
aperto, sem riscos de soltura das partes móveis durante o funcionamento.
Como exemplo prático da aplicação de roscas esquerdas estão as porcas de apertos
de rebolos abrasivos nos eixos de moto esmeril, sendo que de um lado de fixação do rebolo
a rosca é direita e do outro lado a rosca é esquerda. Este tipo de montagem se faz
necessário para melhorar a confiança da fixação do rebolo ao eixo, pois o aperto deste
18
sempre será no sentido contrário do giro do eixo, permitindo assim uma fixação maior sem
probabilidade da soltura do rebolo quando submetido ao trabalho de retificação de peças.
A Figura 1 mostra o perfil básico de uma rosca com uma montagem entre rosca
externa (parafuso) e interna (porca ou furo roscado) conforme a NBR ISO 724 (ABNT,
2004). Observa-se o formato triangular, que pode ser considerado para uma rosca métrica
(60º) ou para uma rosca em polegadas (55º). Na parte superior da rosca externa (parafuso)
nota-se uma pequena região reta e no fundo do filete da rosca interna (porca) uma região
arredondada que tem a função de garantir o movimento das partes durante o rosqueamento
sem interferência.
Figura 1. Geometria do perfil de rosca de acordo com a NBR ISO 724 (ABNT, 2004)
Considerando-se o perfil isolado de uma rosca podemos ainda avaliar que o mesmo
tem três regiões distintas a saber; raiz/inferior que é a superfície inferior que une dois
flancos adjacentes da rosca (Região 1), flanco/lateral que é a lateral da superfície da rosca
que conecta a crista e a raiz (Região 2) e a crista/superior que é a superfície superior que
une os dois lados ou flancos (Região 3). Esta três regiões estão representadas na Figura 2
(SANDVIK, 2010).
Pode-se observar a responsabilidade que existe na fabricação de um perfil de rosca,
que aparentemente parece simples, mas é enorme. Nota-se que existe a necessidade da
construção de concordância entre dois arcos, crista e base da rosca, com duas linhas
inclinadas que formam o perfil padrão de rosca que pode ser métrico ou polegada
conforme citado anteriormente. Além disso, toda esta geometria ainda tem uma inclinação
baseada no ângulo de hélice da rosca. E para finalizar existe ainda a necessidade da
19
calibração de montagem colocando os diâmetros internos e externos dentro de tolerâncias
rígidas que permitam a montagem de peças internas e externas.
P = passo em mm para roscas métricas ou fios por
polegada (f.p.p.) para roscas whitworth;
= ângulo do perfil 60º para roscas métricas e 55º para
roscas whitworth;
= ângulo de hélice da rosca;
d / D = diâmetro principal, externo/interno;
d1 / D1 = diâmetro secundário, externo/interno;
d2 / D2 = diâmetro do passo, externo/interno;
Figura 2. Detalhes geométricos dos perfis de rosca (SANDVIK, 2010).
O ângulo de hélice de uma rosca () é a inclinação do perfil da rosca do parafuso
sendo baseado nos diâmetros do passo da rosca diâmetro interno (d2), diâmetro externo
(D2), e o passo (P). Pode-se considerar de forma prática que esta medida pode ser
representada por um triângulo sendo desenrolado de uma peça cilíndrica. Nota-se que o
mesmo passo em diâmetros diferentes propicia um ângulo de hélice diferente (diâmetros
Da, Db e Dc).
Figura 3. Detalhe geométrico do ângulo de hélice () (SANDVIK, 2010)
A produção de roscas pode ser realizada com ferramentas de corte ou ferramentas de
conformação. Roscas usinadas são aquelas onde ocorre o corte do perfil (filete) da rosca
gerando cavacos ao final do processo. Por outro lado, roscas laminadas são aquelas onde
não existe corte do perfil, mas a deformação do filete de rosca sem a geração de cavacos. O
processo de fabricação de roscas é denominado rosqueamento e independente do processo
20
remover ou deformar o perfil de rosca a ferramenta de fabricação sempre deverá ter o
perfil idêntico ao perfil de rosca que se deseja produzir.
1.1 Rosqueamento externo
O processo de torneamento de roscas é o método mais comum de produzir roscas
externas. Normalmente, o processo de torneamento é empregado para a fabricação de
roscas com maior qualidade e acabamento, sendo empregado na maioria das vezes na
produção de peças maiores e mais precisas. A Figura 4 mostra o processo torneamento de
roscas onde nota-se que a ferramenta desloca-se no sentido axial com avanço idêntico ao
passo de rosca com a rotação simultânea da peça, proporcionando assim a remoção e a
geração de cavacos.
Na Figura 4 nota-se o uso de insertos intercambiáveis que proporcionam mais
produtividade e melhor qualidade nos perfis de rosca produzidos. Além disso, existem
insertos com um ou mais gumes cortantes que aumentam simultaneamente a produção de
roscas com a resistência do inserto como pode ser observado no detalhe da Figura 4.
Insertos com múltiplas arestas são empregados na maioria das vezes no torneamento de
rosca com o objetivo de distribuir os esforços no gume cortante da ferramenta.
Este tipo de processo rosqueamento com múltiplas arestas normalmente é empregado
para roscas API usadas nos componentes mecânicos da área de petróleo, na fabricação de
pontas roscadas de tubos e na usinagem interna de luvas. Além de proporcionarem a
distribuição dos esforços durante a fabricação de roscas, permitem que a produção de
roscas seja mais rápida e eficiente, pois considerando o comprimento das roscas usinadas,
conicidade do perfil de roscas e as velocidades empregadas tem-se uma melhoria
significativa nos tempos de produção e na qualidade dos perfis de rosca.
Figura 4. Torneamento externo de roscas (Adaptado de Sandvik, 2010)
Região Roscada
1 - Suporte para roscas (diâmetro 1 a 8 mm);
2 - Suporte para roscas maiores
Rotação
21
Existe outros processos de fabricação de roscas externas com o uso de ferramentas
especiais denominadas cossinetes, turbilhonamento e fresas de roscas. O processo de
rosqueamento externo com cossinetes pode-se ser observado na Figura 5. Cossinetes são
ferramentas de gumes múltiplos com duas regiões distintas, a primeira região tem uma
conicidade para permitir o alinhamento e a remoção inicial do filete de rosca de forma
gradual. Este tipo de geometria permite também uma distribuição dos esforços de
usinagem durante a fabricação das roscas.
A segunda região é cilíndrica e tem como objetivo calibrar o diâmetro da rosca que
se deseja produzir. Os vários gumes cortantes que a ferramenta possui são fabricados com
o mesmo perfil do filete de rosca, sendo os últimos filetes com geometria idêntica ao perfil
final desejado. Da mesma forma que acontece no torneamento de roscas, o processo de
rosqueamento com cossinetes necessita de uma rotação da haste que se deseja fabricar a
rosca ou do cabeçote onde está fixo o cossinete, este movimento conjugado com o avanço
da ferramenta idêntico ao passo da rosca proporciona a geração final do filete de rosca.
Normalmente, cossinetes são ferramentas fabricadas em aço rápido (HSS - High-
Speed Steel) e apresentam baixa produtividade, considerando o torneamento de roscas, por
exemplo, sendo na maioria das vezes um processo manual sem muita automatização. Seu
uso se restringe a operações manuais de fabricação de roscas em etapas de manutenção ou
recuperação de partes mecânicas. As velocidades de corte são normalmente baixas e o
processo precisa de um sincronismo de rotação e avanço da ferramenta que pode ser
influenciado diretamente pelo operador. Geralmente, após a passagem da parte cônica
consegue-se um bom alinhamento na parte cilíndrica e partir deste etapa os erros de
sincronismo tendem a serem minimizados.
Rosqueamento de uma haste cilíndrica
Cossinete
Cabeçote de
fixação
Avanço
Rotação
22
Figura 5. Detalhe do processo de rosqueamento externo com cossinetes
O processo de rosqueamento por turbilhonamento é similar ao processo de
rosqueamento com cossinetes, considerando a dinâmica do processo, e pode-se avaliar que
este processo de geração de roscas é uma evolução do processo de rosqueamento com
cossinetes conforme pode ser observado na Figura 6. O mecanismo de remoção de material
para a fabricação do filete de rosca é idêntico, porém apresenta uma variação onde as
ferramentas que são independentes, sendo montadas separadamente, e, cada uma
ferramenta tem um gume cortante com a geometria específica do perfil da rosca,
produzindo a rosca de forma gradual assim como acontece na região cônica na operação de
rosqueamento com cossinetes manuais.
Figura 6. Detalhe do processo de rosqueamento externo por turbilhonamento (Adaptado de
Sandvik, 2010)
Na Figura 6 observa-se que o diâmetro DC deve ser idêntico ao diâmetro interno do
perfil de rosca que deseja-se produzir. Uma grande vantagem deste tipo de sistema e
possibilidade de regulagem dos diâmetros da rosca, principalmente o diâmetro interno, ao
contrário do uso dos cossinetes manuais que não permitem este tipo de regulagem. Da
mesma forma que acontece com o rosqueamento com cossinetes, ao final da passagem da
haste na parte interna do cabeçote, a rosca é calibrada dentro do diâmetro especificado. A
outra grande vantagem do uso de cabeçotes de turbilhonamento é elevada produção quando
Haste Cilíndrica a ser
rosqueada
Avanço
Rotação
Pentes de rosca
Cabeçote fixador
das ferramentas de
rosqueamento
23
comparado com o torneamento de roscas e principalmente quando comparado com o uso
de cossinetes.
A possibilidade do uso de altas velocidades de corte devido as ferramentas serem
insertos de metal duro, proporcionam não apenas grande produção, mas também um bom
acabamento dos perfis de rosca. Além disso, o fato das ferramentas serem insertos
intercambiáveis ajustáveis proporciona uma regulagem com ajuste fino dos diâmetros da
rosca e uma troca individual caso alguma ferramenta se quebre durante o processo e assim
não existe a necessidade da troca completa da ferramenta de usinagem.
A Figura 7 mostra o processo de fresamento de roscas com ferramentas de múltiplos
gumes cortantes. O processo de fresamento de roscas apresenta um movimento de rotação
da ferramenta em torno do seu eixo e um movimento de rotação em torno da peça que se
deseja roscar com um movimento ascendente simultâneo da ferramenta com o mesmo
valor do passo da rosca.
Figura 7. Detalhe do processo de roscamento externo com fresas de rosca (Adaptado de
Kennametal, 2017)
Dessa forma, a ferramenta produz o perfil de rosca em um único passe sem a
necessidade de várias etapas para a produção da rosca. Assim como ocorre no processo de
turbillhonamento, o processo de fresamento de rosca é muito flexível, pois apresenta a
possibilidade de calibração da rosca quando o perfil de rosca está acima das dimensões
especificadas além de trabalhar com ferramentas intercambiáveis que são facilmente
ajustadas no suporte porta-ferramenta.
Existem também as fresas de rosca maciças fabricadas em metal duro (WC – Carbeto
de Tungstênio) que não são intercambiáveis, mas são empregadas para roscas com
diâmetros menores. Uma grande vantagem do uso de fresas de rosquear é a possibilidade
Haste Cilíndrica a ser rosqueada
Av
anço Rotação da
ferramenta
Tipos de Fresa de rosca
Passo da rosca
Ângulo de Hélice
24
do uso da mesma ferramenta, considerando um passo padrão, ser empregada para fazer
vários diâmetros de rosca, bastando apenas que a ferramenta tenha o diâmetro da região
dos gumes menor que o diâmetro inicial do furo, possibilitando sua inserção com
facilidade. A limitação deste tipo de ferramenta está relacionada com o comprimento de
região roscada delimitando o comprimento de rosca que se deseja fabricar.
Este tipo de processo ainda vem sendo exaustivamente estudado devido ao pouco
domínio e aplicação deste no setor produtivos. Araujo et al., (2006) tem estudado toda a
dinâmica do processo de fresamento de roscas e demonstrado que existe vários fatores de
influência no processo. Além disso, este tipo de processo tem um tempo de produção mais
baixo que os demais processos exatamente pela sua dinâmica que necessita de três
movimentos simultâneos a serem controlados e por isto necessita de máquinas mais
modernas e operadores mais eficientes para garantira a qualidade do perfil roscado.
O processo de rosqueamento externo ainda pode ser realizado pelo processo de
laminação de roscas. Este tipo de processo usa o princípio de deformação com
movimentação do material para fabricar o filete de rosca. Neste processo são empregados
cabeçotes laminadores conforme pode ser observado na Figura 8a e pentes laminadores
conforme pode ser observado na Figura 8b. A grande aplicação desse tipo de processo está
na produção de parafusos que são comumente encontrados no mercado devido ao grande
volume de produção que este processo apresenta.
(a)
(b)
Figura 8. Processo de laminação de rosca; a) cabeçote com dois rolos laminadores (Fette,
2017) e b) pentes laminadores (Wiesenfeld, 2015)
Haste
cilíndrica
Rolos
laminadores
Cabeçote laminador
Parafuso
Placas laminadoras
25
Considerando os processos anteriores, pode-se afirmar que os estudos em processo
de rosqueamento externo têm sido desenvolvidos nos últimos anos no processo produção
de roscas com múltiplos gumes cortantes, principalmente em roscas de padrão API muito
empregadas em tubos para a extração de petróleo. Khoshdarregi e Altintas, ( 2015)
focaram seu estudo na formação de cavacos durante o processo de rosqueamento com o
objetivo de validar o modelo usado para prever a formação do cavaco e os esforços de
corte. De acordo com os autores o modelo usado apresenta boa precisão para prever o
projeto de ferramentas de rosca e também possibilita um ótimo planejamento do processo
de produção de roscas. A qualidade de um perfil de roscas está fortemente ligada ao
projeto da ferramenta que se deseja utilizar. Pentes de rosca ou ferramentas monocortantes
são consideradas ferramentas de forma e precisam de um desenvolvimento de projeto
específico que atenda as necessidades de precisão e qualidade do perfil.
Por outro lado, os autores Chen et al. (2013) comentam que o processo de
rosqueamento é um dos mais críticos, devido ao fato da formação de cavacos influenciar
de forma significativa no processo, além dos esforços de corte que podem comprometer a
integridade das ferramenta de corte. Neste estudo os autores focaram no raio de ponta das
ferramentas de rosqueamento com o objetivo de minimizar rebarbas esforços de corte e
melhorar a qualidade superficial das roscas. Cavacos em rosqueamento interno são formas
geométricas indesejáveis e que podem comprometer a qualidade do processo. Geralmente,
cavacos são responsáveis pela falta de qualidade do perfil de rosca e pela quebra de
ferramentas quando da realização de rosqueamento internos como no caso de luvas de
conexão de peças metálicas.
Os estudos anteriores foram focados no processo tradicional de rosqueamento por
torneamento. Entretanto, o processo de fresamento de roscas tem aberto novos campos de
pesquisa e também tem sido desenvolvido. Segundo Araujo et al. (2006) que desenvolveu
um estudo teórico baseado em modelagem matemática para predição de roscas fabricadas
pelo processo de fresamento de roscas, a cinemática do fresamento de roscas é complexa e
não permite uma definição direta dos parâmetros de corte de forma precisa. Apesar do
modelo ser definido de forma genérica, o modelo se apresentou bem preciso na usinagem
da liga de alumínio 6061 e possibilitou simular o fresamento de roscas aumentando a
qualidade das roscas produzidas.
Araujo et al. (2015) estudaram o fresamento de roscas cônico no Inconel 718. O foco
principal do estudo foi nos esforços de corte na rugosidade dos perfis roscados.
Considerando a dificuldade em usinar este tipo de material os autores concluem que o
26
processo de fresamento de roscas é uma ótima opção para a produção de perfis roscados.
Inconel é um material de alto valor agregado e de grande aplicação na indústria aeronáutica
que demanda de matérias que possam preencher todos os vários requisitos, como por
exemplo, a resistência à corrosão e o amolecimento causados por condições muito
agressivas em altas temperaturas associadas a esse tipo de aplicação, principalmente nas
turbinas destas aeronaves.
Em relação ao rosqueamento externo por laminação, autores como Maciel et al.
(2015) estudaram o rosqueamento por conformação da liga de Titânio Ti-6Al-4V. O estudo
foi focado na qualidade superficial das roscas e na taxa de preenchimento com variação do
diâmetro inicial da haste. Segundo os autores, a variação do diâmetro inicial é fundamental
para manter o perfil das roscas dentro da normalização e evitar o efeito da recuperação
elástica do material.
Entretanto, Teixeira (2017) estudou o rosqueamento externo por laminação na liga de
Alumínio 7075, o estudo foi também baseado na variação do diâmetro inicial das hastes e
em diferentes sistemas de refrigeração. Segundo o autor a qualidade das roscas piora com o
uso da emulsão e MQL e a variação do diâmetro para um valor máximo não é garantia de
preenchimento total do perfil de rosca.
Observa-se que existem diversos processos para a produção de roscas externas na
atualidade, entretanto, poucos são estudados com foco na melhoria do produto. Apesar de
serem processos relativamente antigos os estudos ainda são modestos. Os processos de
rosqueamento com o uso de cossinetes apresenta uma baixa produtividade, por isto não
tem estudos mais recentes desenvolvidos, considerando que sua otimização por exemplo,
não irá agregar valor significativo ao produto.
Por outro lado, pode-se considerar que o processo de turbillhonamento é
relativamente moderno, considerando como comentado anteriormente, que o mesmo é uma
evolução do rosqueamento com cossinetes, e considerando a baixa aplicação em processos
de produção de roscas externas, o processo de turbillhonamento não apresenta estudos
técnicos/científicos significativos com vistas a melhoria de tempos e métodos do processo
ou focado na qualidade do produto.
Segundo Zambuzi (2015) os estudos sobre o processo de turbillhonamento são
focados na indústria de implantes ortopédicos devido a mensal de uma considerável quantidade de
parafusos ortopédicos. Segundo o autor o tempo da rosca foi reduzido em aproximadamente
80% com a implantação do cabeçote turbilhonador e em relação ao tempo de usinagem por
27
peça os resultados foram similares aos encontrados por Feres (2010) com redução de
aproximadamente 67% do tempo.
1.2 Rosqueamento interno
Os processos de rosqueamento interno tem a mesma importância na indústria
moderna que os processos de rosqueamento externo. Grande parte dos processos de
rosqueamento interno é produzido com ferramentas denominadas machos. Este processo
pode ser basicamente subdivido em rosqueamento interno por usinagem, rosqueamento
interno por laminação e fresamento interno de roscas. Na Figura 9 pode-se observar o
processo de rosqueamento com macho de corte onde ocorre a remoção de cavacos.
Os machos de corte são ferramentas multicortantes com uma pequena conicidade na
ponta da ferramenta que lhe permite uma entrada gradual no furo que se deseja rosquear.
Esta conicidade conjugada com o passo da ferramenta que é sempre igual ao passo da
rosca, proporciona um tamanho diferente para cada aresta de corte, produzindo múltiplos
gumes cortantes. O macho de corte apresenta ainda, canais laterais paralelos ou com um
pequeno ângulo de hélice que permite simultaneamente a passagem do óleo
refrigerante/lubrificante e o acúmulo dos cavacos nos canais por um pequeno tempo
durante a atuação da ferramenta no processo de geração do filete de rosca.
Conforme pode ser notado na Figura 9 machos de corte com canais retos são
empregados em furos passantes para direcionarem os cavacos à frente removendo-os na
mesma direção de movimento da ferramenta, observa-se que em alguns casos ainda existe
um pequeno chanfro para forçar ainda os cavacos removidos a se deslocarem para a frente.
Por outro lado, os machos com canais helicoidais promovem a remoção dos cavacos para
trás no sentido contrário do deslocamento da ferramenta. Normalmente, os machos com
canais helicoidais são empregados no rosqueamento de furos cegos, pois existem uma
necessidade de remoção dos cavacos da região de corte e a única forma que se consegue
este efeito é com os cavacos no formato helicoidal.
28
Figura 9. Rosqueamento interno com macho de corte (Kisos, 2017)
Outro processo de rosqueamento bem prático, mas ainda pouco usado na indústria, é
o rosqueamento com machos laminadores. Ao contrário do processo de rosqueamento com
machos de corte onde ocorre a remoção de cavacos, no processo de rosqueamento com
machos laminadores o material se desloca da parte inferior para a parte superior gerando a
formação da crista do filete. Ao contrário do processo de rosqueamento com machos de
corte, onde podem ser fabricadas roscas em qualquer material, inclusive materiais
endurecidos, no processo de laminação de rosca, a gama de materiais se reduz aos
materiais dúcteis.
No processo de rosqueamento por laminação é necessário que o material tenha
excelente ductilidade para permitir a movimentação do material de uma região para outra
dentro do furo permitindo a geração do perfil de rosca. Conforme pode ser observado na
Figura 10, o perfil de rosca é formado gradualmente devido a conicidade que o macho
laminador apresenta similar ao macho de corte. Entretanto, o perfil de rosca quando se usa
o macho laminador sempre terá uma pequena falha na crista, pois na maioria das vezes não
ocorre um preenchimento completo do filete de rosca.
Este fato ocorre devido ao cálculo inicial para a previsão do diâmetro interno do furo,
onde devido a fatores de segurança trabalha-se sempre com um furo um pouco maior para
garantir a fabricação do filete de rosca sem o travamento da ferramenta dentro do furo, que
poderia ocasionar a quebra da ferramenta. A grande vantagem que o processo de
rosqueamento por laminação apresenta é a não formação de cavacos e o acúmulo deste
dentro do furo roscado, evitando-se, portanto, etapas de retrabalho com objetivo de
limpeza do furo. Além disso, alguns autores afirmam que o processo gera filetes mais
resistentes devido ao encruamento do material conforme pode ser notado na Figura 10.
Avan
ço
Furo Passante Furo Cego
29
Figura 10. Rosqueamento interno com macho laminador (Emuge-Franken, 2010)
O processo de fresamento de roscas, como o próprio nome já diz, utiliza uma fresa
com múltiplas arestas com formato do perfil de rosca que se deseja produzir. Estas
ferramentas podem ser maciças ou com insertos intercambiáveis, sendo as ferramentas
maciças empregadas para furos menores e as ferramentas com inserto para furos maiores.
É possível também o fresamento de roscas com fresas com uma única aresta de corte,
entretanto este processo é menos produtivo que o processo com múltiplas arestas,
conforme pode ser observado na Figura 11.
Figura 11. Fresamento interno de roscas (Emuge-Franken, 2010)
No processo de fresamento de roscas, a fresa tem o diâmetro menor que o furo que
deverá ser rosqueado e normalmente se desloca dentro do furo de baixo para cima com um
movimento de rotação em torno do seu próprio eixo e ao mesmo tempo um movimento de
translação dentro do furo. Estes movimentos devem ser sincronizados para permitir a
perfeita formação do filete de rosca, evitando erros na geração dos filetes. A Figura 12
Cabeçote
Rosqueador
Perfil Final
Produção do
perfil roscado
Peç
a
Mac
ho
Furo a ser rosqueado
Av
anço
Rotação da
ferramenta
Tipos de Fresa de rosca
30
mostra as etapas do processo de fresamento de roscas, onde nota-se que todas as etapas
devem ser programadas de forma precisa para a perfeita usinagem do filete de rosca.
Figura 12. Etapas do processo de fresamento de roscas (CARLA ARAUJO et al., 2006)
A grande vantagem do processo de fresamento de roscas é que uma única ferramenta
pode produzir vários diâmetros de rosca, desde que os mesmos sejam do mesmo passo,
existem inúmeros diâmetros de rosca com inúmeros valores de passo, dessa forma, uma
única fresa de rosca tem uma flexibilidade que permite produzir mais de um único modelo
de furo roscado padrão (ARAUJO; SILVEIRA, 2004).
Os processos de rosqueamento interno são estudados com o objetivo de
conhecimento e domínio de vários problemas que ocorre durante a geração do filete de
rosca. Geralmente, os processos de rosqueamento interno são mais estudados que o
rosqueamento externo devido à dificuldade de se trabalhar com uma ferramenta que ocupa
todo o espaço da região manufaturada, ou seja, o furo roscado. Pelo fato do rosqueamento
interno ter um espaço limitado para alojar temporariamente o cavaco, limitar em alguns
aspectos a utilização de fluidos de corte e ser uma ferramenta que produz um perfil de
rosca em única operação, diversos estudos têm sido conduzidos para melhorar a qualidade
de roscas, aumentar a vida de ferramentas de corte e no desenvolvimento de novas
coberturas e ferramentas para serem usadas na concepção de ferramentas mais eficientes.
Considerando os processos de rosqueamento interno, e baseado nas buscas realizadas
nos portais de periódicos, anais de congressos e revistas técnicas da área, pode-se
considerar que o processo mais estudado e que apresenta um maior volume de informações
é o rosqueamento com machos de corte, seguido pelo processo de laminação de roscas e
por último o processo de fresamento de roscas (GANEV, 2013). Este fato ocorre devido ao
grande uso dos machos de corte que vem sendo utilizados, desenvolvidos e melhorados
Posicionamento
no centro do furo
Ponto inicial
Deslocamento
vertical para baixo
Movimento de
penetração
Movimento
helicoidal
da ferramenta
Deslocamento da
Ferramenta para
a posição
Retorno ao ponto
de posicionamento
inicial
31
desde a revolução industrial. Basicamente, roscas internas são produzidas para atenderem
as necessidades de mercado desde a concepção do parafuso.
Os estudos em rosqueamento interno com machos de corte são diversos e abrangem
vários de tipos de informação. Estudos têm sido conduzidos, por exemplo, nas coberturas
empregadas nos machos de corte. Piska; Sliwkova (2015) estudaram os revestimentos de
TiN (espessura de 2,0 µm) e TiN+DLC (espessura de 1,0 µm) no rosqueamento
empregando machos de corte e machos laminadores e comparando com machos sem
revestimentos. Segundo os autores, ambas ferramentas apresentaram grau de tolerância
igual a IT-09 e uma produção de 1000 roscas para os machos laminadores e 600 roscas
para os machos de corte.
Neste estudo os autores puderam avaliar a eficiência da utilização de machos de corte
com variação de coberturas. Os machos de corte utilizados nos experimentos foram
fabricados de aço rápido micro ligado, que é uma forma de produção deste aço pelo
processo de sinterização (HSSE). O rendimento deste tipo de ferramenta teve um aumento
na vida significativo com a aplicação de coberturas de TiN e TiN+DLC sendo que a
cobertura de TiN+DLC apesar de apresentar uma espessura menor de 1,0 µm teve uma
maior resistência ao desgaste durante o processo de rosqueamento.
O desgaste de machos de corte também foi estudado por Meola e Reis (1990)
estudaram os sinais de vibração no processo rosqueamento com vistas a obtenção e um
monitoramento on-line do desgaste. De acordo com os autores, usando as bandas do
espectro de potência das vibrações foi possível obter uma relação linear entre o sintoma
vibratório e o critério de desgaste de ferramenta. Os dados obtidos se mostraram muito
produtivos para a manutenção do estudo considerando que, segundo os autores, o
monitoramento indireto do processo de rosqueamento é sempre muito complexo.
O grande gargalo no setor produtivo é a quebra de machos de corte dentro dos furos.
O rosqueamento é, geralmente, a última operação de fabricação e tem o status de grande
agregação de valor no produto devido ao somatório dos custos das etapas anteriores.
Quando ocorre uma quebra de machos dentro do furo, existem apenas duas opções que são
o retrabalho da peça e para isto necessita-se que esta seja retirada da linha de produção ou
seu descarte. Assim, trabalhos como o desenvolvido por Meola e Reis (1990) são muito
importantes para o setor produtivo, pois podem prever e evitar quebras de ferramentas
dentro dos furos roscados evitando a parada de linhas de produção.
32
Zhang; Yang; Wang (2003) também estudaram o processos de rosqueamento com
machos de corte relacionando com sinais de vibração da ferramenta. Segundo os autores o
torque pode ser previsto considerando-se um valor amplitude ótimo. Além disso, as formas
de onda têm forte influência na redução do torque sendo que as ondas quadradas têm um
melhor efeito que as onda senoidais. O estudo focado no torque é altamente eficiente e
significativo, pois exatamente no esforço de torque tem-se o monitoramento do processo
dos fatos que exatamente podem acontecer com a ferramenta. Normalmente, o aumento do
esforço de torque influenciado pelo desgaste da ferramenta provoca a quebra da ferramenta
dentro do furo. Assim, o conhecimento deste parâmetro é de grande importância para o
setor produtivo.
O ferro fundido é um material amplamente utilizado na fabricação de blocos de
motores e esses blocos apresentam diversos furos roscados com objetivo de fixação de
componentes mecânicos como bomba de óleo, cabeçote, proteção de correias entre outros.
Com base nisso, Mota et al. (2009) estudaram o rosqueamento no ferro fundido vermicular
com vistas a definir o desgaste que ocorre durante o processo. Segundo os autores, o
desgaste de cratera e de flanco foi predominante em todas as ferramentas de corte com
lascamentos em alguns filetes da ferramenta, inclusive com destacamento da cobertura das
ferramentas. Segundo os autores o desgaste provocou um aumento significativo do torque
durante o processo o que pode levar em alguns a quebra da ferramenta.
Pereira (2010) também estudou o rosqueamento de dois tipos de ferro fundido
cinzento e um tipo de ferro fundido vermicular com diferentes velocidades de corte.
Segundo o autor, nos resultados obtidos, o torque diminuiu com o aumento da velocidade
de corte os gráficos demonstram que entre as velocidades de 5 a 20 m/min ocorreu o
surgimento de aresta postiça de corte. Além disso, o autor observou que quanto maior a
excentricidade da ferramenta maior o valor de torque e que quando o comprimento da
rosca é de 1,7 vezes o diâmetro o valor do torque aumenta com o aumento do comprimento
de rosca.
No processo de rosqueamento empregando laminação de roscas os estudos são mais
recentes que no processo com rosqueamento com machos de corte. Isto ocorre devido ao
fato do processo de rosqueamento com machos de corte ser mais difundido devido aos
longos anos de aplicação deste tipo de ferramenta no setor de manufatura. Entretanto,
autores como Stéphan; Mathurin; Guillot (2011) tem focado o estudo no processo de
laminação de roscas internas com vistas a definir os melhores parâmetros de corte sem
33
aumento do torque. Isto porque o torque é o principal esforço que deve ser considerado no
rosqueamento, pois trata-se de uma resposta ligada diretamente à quebra da ferramenta.
O processo de rosqueamento por laminação não apresenta canais para alojamento de
cavacos pelo simples fato de não gerar cavacos durante a construção do perfil de rosca.
Dessa forma, este processo apresenta uma ferramenta com um núcleo mais resistente que o
núcleo dos machos de corte. Entretanto, o processo de laminação de roscas gera esforços
maiores principalmente o torque e a força axial. Portanto, devido à elevação do torque no
processo de laminação existe uma possibilidade de quebra da ferramenta não na região dos
filetes de rosca, mas na haste da ferramenta que terá o mesmo diâmetro do núcleo da rosca.
Diversos autores têm desenvolvido estudos no processo de rosqueamento por
laminação. Os tradicionais esforços como torque e força axial tem sido sempre
acompanhado pelos pesquisadores com o objetivo de melhorias do projeto das ferramentas
de rosqueamento. Carvalho et al., (2012) também estudaram a variação do torque no
processo de rosqueamento por laminação. Os autores usaram a liga de Magnésio AM60
como corpo de prova e variaram o diâmetro inicial do furo com o objetivo de obter o
máximo preenchimento do perfil do filete de rosca. O trabalho demonstrou que é possível
obter um perfil de rosca próximo do ideal para roscas internas laminadas para materiais
mais dúcteis. Entretanto, a ductilidade do material tem forte influência na taxa de
preenchimento da rosca.
A grande desvantagem que o processo de rosqueamento por laminação tem em
relação ao processo de usinagem de roscas é fato que considerando as dimensões padrões
do processo como, por exemplo, o furo inicial que sempre é maior que o furo inicial do
rosqueamento por usinagem, existirão sempre pequenos defeitos da crista da rosca, pois o
material é movimentado de baixo para cima com vistas a construir o filete de rosca. Assim,
basicamente pode-se observar que estudos que vista a melhoria deste tipo de defeito ainda
precisam ser desenvolvidos para outros materiais de engenharia, na mesma linha da
proposta de Carvalho et al., (2012).
Autores como Fromentin et al. (2010) e Shashidhara; Jayaram (2010) tem focado os
estudos nos sistemas de refrigeração/lubrificação em processos de rosqueamento de roscas
por laminação. O processo de laminação interno de roscas apresenta um grande gap
relacionado com o atrito da ferramenta dentro do furo. Considerando os diâmetros da
ferramenta (macho laminador) e do furo, existe pouco espaço durante o movimento de
34
rotação e avanço da ferramenta o que exige o uso de uma grande quantidade de óleo
lubrificante para minimizar os efeitos do atrito.
Embora seja necessário minimizar o atrito durante o processo de rosqueamento, pois
o mesmo está relacionado diretamente com o desgaste da ferramenta, por outro lado o
atrito tem uma parcela de funcionalidade, pois é responsável pela geração de calor que
colabora com a deformação do material. Dessa forma, torna-se necessário um balanço
térmico durante o processo de rosqueamento que permita gerar calor para melhorar o
escoamento do material deformado, melhorando assim a qualidade das roscas e por outro
lado deve-se prever a influência do atrito no tempo de vida das ferramentas.
Estudos com foco em MQL são interessantes foi não apenas tem uma vertente com foco
ambiental, devido a redução do volume de óleo empregado durante o processo de
fabricação, mas também podem proporcionar a melhoria do acabamento da superfície das
roscas. Os óleos normalmente são empregados com foco na redução do atrito, pois tem
baixa capacidade de retirar calor do processo. Pode-se comentar o uso da emulsão em
sistemas de usinagem, onde a função do óleo, mesmo em pequenas quantidades é lubrificar
e a função da água é refrigerar o processo.
Em relação ao processo de fresamento de roscas, esse processo tem sido menos
empregado no setor produtivo industrial. Os estudos científicos em relação ao processo de
fresamento de roscas ainda são modestos e focados na dinâmica do processo (ARAUJO et
al., 2006). A dinâmica do processo com vistas a otimização de perfis de roscas e tempo de
produção são importantes, pois o processo ainda apresenta, assim como o rosqueamento
por laminação, diversas lacunas a serem preenchidas.
Conforme comentado anteriormente o desenvolvimento do processo de fresamento
de roscas é interessante por um lado, considerando a flexibilidade que o processo
apresenta. Entretanto, por outro lado a velocidade atual empregada no processo de
fresamento de roscas é muito mais alta que os tradicionais processos de rosqueamento, seja
por usinagem de roscas ou por laminação de roscas. Dessa forma, ainda não foi possível
comparar, por exemplo, o tempo de fabricação de uma rosca manufaturada pelos
tradicionais processos usando machos de corte e/ou machos laminadores e o processo de
fresamento de roscas. Sabe-se por exemplo, que o fresamento de roscas pode absorver uma
fatia de diâmetros de roscas maiores devido a flexibilidade que a ferramenta tem, porém,
nenhum estudo foi realizado com vistas a comparar economicamente este efeito
comparando dois tipos de processos distintos.
35
Maquinas CNC modernas precisam ter disponíveis rotinas de programação
específicas para garantir precisão no processo de fresamento de roscas. Won; Nestler;
Wegener (2012) desenvolveram uma nova tecnologia para definir o perfil de rosca no
processo de fresamento de roscas. Segundo os autores, a metodologia proposta pode ser
integrada a sistemas CAD/CAM permitindo inclusive a simulação do processo de
rosqueamento dos componentes prevendo os erros de forma virtual. Além disso, os autores
afirmam que o ambiente virtual de programação permite a geração de perfis de rosca mais
complexos como, por exemplo, as roscas empregadas em implantes dentários.
Considerando o exposto acima, percebe-se que ainda existem várias lacunas a serem
preenchidas nas informações relacionadas nos processos de rosqueamento internos. Pode-
se afirmar que o processo de corte de roscas já possui um conhecimento profundo na
dinâmica do processo e atualmente o foco está na vida de ferramentas relacionado ao
desgaste e aos métodos de aplicação de fluidos lubrirrefrigerantes com vistas a um menor
impacto ambiental. Dessa forma novos estudos devem ser desenvolvidos com o objetivo de
melhorar os revestimentos empregados nas ferramentas com vistas a produzir um maior
número de furos roscados e desenvolver sistemas de lubrirrefrigeração para minimizar os
impactos ambientais causados pelo homem.
Para o processo de laminação de roscas, estudos focados em novas coberturas
também precisam ser desenvolvidos, pode-se considerar que a dinâmica do processo ainda
é parcialmente conhecida, mas o mecanismo de deformação do material ainda precisa de
uma teoria mais específica. Além disso, o foco no preenchimento do perfil de rosca irá
melhorar a qualidade dos produtos e permitir uma maior aplicação do processo no mercado
industrial. Em relação ao fresamento de roscas, um número maior de lacunas permite que
diversos estudos ainda sejam desenvolvidos, mas pode-se citar principalmente estudos com
foco na variação da dureza dos materiais.
O fresamento de roscas permite a fabricação de roscas em qualquer material
metálico, endurecido ou não, fato este que não pode ser considerado para os demais
processos de rosqueamento, principalmente laminação de roscas pois este tipo de processo
tem sua faixa de aplicação somente para materiais dúcteis. Assim, considera-se que existe
uma necessidade de otimização dos processos de rosqueamento por usinagem e que os
processos de laminação de roscas e fresamento de roscas precisam ainda serem
profundamente estudados para atingirem a faixa de conhecimento do processo de usinagem
de roscas.
36
1.3 Sistemas de Fixação
A usinagem de roscas deve ser sempre sincronizada, para isto a máquina-ferramenta
onde irá ser fabricada a rosca deve apresentar um sincronismo dos movimentos de rotação
do fuso principal e do eixo de avanço. Atualmente, os centros de usinagem fabricados por
praticamente todas as empresas do setor de máquinas-ferramentas são equipadas com esse
recurso, que se tornou padrão para estes equipamentos. Entretanto, devido aos valores
extremamente pequenos em alguns perfis de rosca, como por exemplo, roscas com passo
de 0,8 milímetros, podem ocorrer problemas de sincronismo entre a etapa de fabricação
das roscas e o retorno da ferramenta devido a inércia das máquinas. Para a solução deste
tipo de problemas são empregados cabeçotes rosqueadores para melhorar a qualidade das
roscas produzidas.
Portanto, os processos de rosqueamento interno são realizados com cabeçotes
específicos que permitem o perfeito sincronismo da rotação do cabeçote com um avanço
proporcional ao passo da rosca. Apesar dos modernos equipamentos CNC apresentarem
boa precisão, no caso dos processos de rosqueamento interno, uma pequena alteração da
velocidade de avanço em função da variação da velocidade angular da ferramenta poderá
comprometer o perfil da rosca. Cabeçotes de rosqueamento são responsáveis pela
montagem da ferramenta, no caso o macho laminador ou macho de corte, com o eixo do
cabeçote principal da máquina.
Estes cabeçotes tem a capacidade de corrigir estas pequenas variações da velocidade
angular durante o processo de rosqueamento com uma flutuação do seu eixo no sentido
axial. Oliveira (2016), que estudou o processo de rosqueamento com machos laminadores
na liga de alumínio 7075, demonstrou em seu estudo os erros de perfis de rosca quando
não são empregados cabeçotes com algum tipo de compensação axial ou flutuação do eixo,
neste estudo um grupo de ferramentas foi montada diretamente no eixo árvore da máquina.
Os resultados do trabalho mostram que ocorreu um erro grosseiro no perfil da rosca
Figura 14a), quando comparado com o perfil de rosca fabricada com o cabeçote de
compensação axial Figura 14b). Salienta-se que nas duas figuras a todos os parâmetros
testados foram idênticos, variando-se apenas o tipo de fixação do macho laminador. Na
Figura 14b) observa-se que o perfil formou-se de forma perfeita para uma rosca laminada,
gerando apenas a falha no topo da crista que é comum para este tipo de rosca, conforme
37
comentado anteriormente, mas o perfil de 60º está perfeitamente alinhado com a linha de
centro do perfil.
Por outro lado, o perfil formado na Figura 14a) mostra um perfil de rosca com
inclinações dispersas e com predominância para cima. Esta inclinação demonstra que pode
ter havido uma falta de sincronismo em algum ponto do processo de produção da rosca que
provocou um desalinhamento em todos os perfis. Esta falta de sincronismo pode acontecer
tanto na descida do macho durante a fabricação da rosca, como no retorno da ferramenta.
Deve-se considera inclusive que esta falta de sincronismo pode ter ocorrido na parada da
ferramenta no final do furo roscado.
Figura 13. Detalhe dos perfis de rosca com machos laminadores; a) Rosca produzida sem
cabeçote de compensação axial e b) Rosca produzida com cabeçote de compensação axial
Oliveira (2016)
Nos próximos tópicos serão abordados os cabeçotes e seus sistemas de compensação
mais empregados na área de rosqueamento, explicando o funcionamento, as vantagens e
desvantagens de cada sistema. Geralmente, estes cabeçotes são fabricados com os sistemas
de conexão em máquinas ferramentas mais comuns no mercado, como por exemplo, cone
morse, cone BT-40, cone HSK entre outros.
1.3.1 Cabeçote com compensação axial
A Figura 14 mostra um cabeçote típico empregado na fabricação de roscas. Este tipo
de cabeçote apresenta apenas a compensação axial com uma flutuação no eixo Z nos dois
sentidos. Normalmente, este tipo de cabeçote apresenta um movimento de compensação
axial mais sensível que ocorre devido ao deslizamento de buchas lineares com esferas
localizadas dentro do corpo do cabeçote.
Rosca sem cabeçote de
compensação axial
(a)
Rosca com cabeçote de
compensação axial
(b)
Pas
so
Pas
so
Perfil conformadoPerfil conformado
38
Além disso, este tipo de cabeçote possui um dispositivo específico para que a pressão
de corte inicial ocorra de forma incremental, quando do início do ciclo de trabalho de
roscas, quando a pressão é elevada o mesmo dispositivo funciona como um sistema da
catraca que evita a quebra da ferramenta.
Segundo Sandvik (2010) este tipo de cabeçote proporciona um aumento significativo
da vida do macho devido ao processo controlado do rosqueamento, pois permite uma
melhora do acabamento superficial quando comparado com o sistema rígido, oferece uma
elevada segurança no processo com a redução do risco de quebra do macho, pode ser
empregado com pinças padrão do mercado, mas preferencialmente que as mesmas tenha o
quadrado na parte posterior para travamento da ferramenta e gera forças de avanço
reduzidas nos flancos do macho.
A Figura 14 mostra um cabeçote rosqueador com o sistema de fixação na máquina
BT-40, porém estes tipos de cabeçote atendem a qualquer tipo de máquina necessitando
apenas comprar o sistema de fixação padronizado de acordo com a máquina-ferramenta.
Este tipo de cabeçote tem um mecanismo de embreagem de segurança, que é projetado
para a gama de diâmetros de rosqueamento. Cada faixa de diâmetros tem um tipo de
cabeçote que apresenta um projeto de embreagem específica. O objetivo desta embreagem
de segurança é desacoplar quando o torque presente é ultrapassado.
Assim, após este desacoplamento o esforço de torque é cortado no cabeçote e,
portanto, a embreagem não sofre praticamente nenhum desgaste. Em seguida o mecanismo
é alternado sob rotação completa do eixo e a reversão do eixo acopla novamente a
embreagem. Este tipo de mecanismo flutuante garante uma boa qualidade nos filetes de
rosca dentro de tolerâncias precisas. Além disso, em caso de desalinhamento o sistema
protege o rosqueamento contra a pressão lateral. Ele retorna para o centro automaticamente
após cada operação de rosqueamento. O flutuador paralelo radial é 1,0 milímetros e 1,50
milímetros respectivamente (Sanches Blanes, 2017).
39
Figura 14. Cabeçote com sistema de compensação axial (Sanches Blanes, 2017)
A Figura 15 mostra um típico cabeçote com compensação axial e radial. Este tipo de
cabeçote possui um movimento de compensação axial por pressão e/ou tração durante o
processo de rosqueamento. Este movimento tem como objetivo compensar as diferenças
entre o avanço da máquina, devido à variação da velocidade de avanço da máquina que é
proporcional ao passo da rosca e o movimento de compensação radial que está relacionado
com a velocidade angular da ferramenta.
Este efeito possibilita uma flutuação sensível da ferramenta que se traduz em um
fenômeno de auto centragem compensando os possíveis desalinhamentos entre o fuso da
máquina e o eixo da peça a ser rosqueada. Estes cabeçotes são utilizados em operações de
rosqueamento com machos de corte ou machos laminadores, em linhas transfer, furadeiras
múltiplas, máquinas especiais dedicadas ao processo de rosqueamento e cabeçotes multi-
fusos acoplados em máquinas CNC (Sanches Blanes, 2017).
A compensação radial funciona similar ao cabeçote com compensação apenas axial,
ou seja, quando a pressão é elevada no processo de corte ou deformação da rosca, um
dispositivo de buchas deslizantes funciona acoplado a um sistema de catraca e evita a
quebra da ferramenta, pois o torque elevado é o principal fenômeno responsável pela
quebra de ferramentas no processo de rosqueamento.
Cabeçote com compensação axial
Cone BT-40
Corpo do
cabeçote
Encaixe da pinça
40
Figura 15. Cabeçote com sistema de compensação axial e radial (Sanches Blanes, 2017)
1.3.2 Cabeçote Softsyncro
O sistema Softsyncro da empresa Emuge-Franken é um cabeçote com compensação
axial que trabalha com o mesmo princípio dos cabeçotes citados anteriormente. A
diferença básica deste tipo de cabeçote é que a compensação axial atua somente quando
ocorre uma pré-tensão ao exceder a força da guia que é construtivamente pré-fixada por
atrito de rolamento de esferas de transmissão do par nas suas pistas de rolamento.
Assim uma compensação axial mínima e uma transmissão da força axial por
impulsos elastoméricos pré-tensionados ocorre sincronizando novamente o giro da
ferramenta com o deslocamento axial. Estes impulsos elastoméricos evitam uma oscilação
da aresta de corte da ferramenta pelas suas características amortecedoras (Emuge Franken,
2010). Nos cabeçotes de compensação axiais tradicionais não se considera a separação da
transmissão da força axial podendo gerar um erro axial no começo da usinagem da rosca e
a consequência é um forte e rápido aumento da força axial.
Figura 16. Cabeçote com sistema SofSyncro (Emuge Franken, 2010)
Cabeçote com compensação axial e radial
Cone morse
Corpo do
cabeçote
Encaixe da pinça
pinça
Esferas
Elastômeros
Corpo do
cabeçote
Macho
Porca de
fixação
Cabeçote Softsyncro
41
1.3.3 Cabeçote auto reversor
O sistema de rosqueamento com cabeçote auto reversor trabalha empregando uma
dinâmica contrária dos outros cabeçotes citados anteriormente. Este tipo de cabeçote pode
ser observado na Figura 17. Os cabeçotes rosqueadores com compensação axial ou radial
realizam o processo de rosqueamento no sentido horário, necessitando de uma rápida
parada no final do furo e invertendo o sentido de rotação para a retirada do macho de
dentro do furo. Este tipo de cabeçote tem um tempo de parada mínimo, mas que sempre é
considerado no processo produtivo no chão de fábrica.
Figura 17. Cabeçote com sistema auto reversível (Sanches Blanes, 2017)
Os cabeçotes rosqueadores auto reversores trabalham com uma dinâmica diferente.
Eles invertem o sentido de rotação do macho no retorno da ferramenta, sem a necessidade
de uma parada súbita e mantendo a rotação do cabeçote no sentido horário. Este
movimento é conseguido através de um mecanismo que utiliza uma embreagem de
segurança, que é adequado dentro da gama de processos de rosqueamento (Sanches Blanes,
2017).
A embreagem de segurança tem a finalidade de desacoplar o movimento do cabeçote
da máquina da ferramenta quando o torque presente é ultrapassado, ou seja, no final do
furo. Após esse desacoplamento não há torque no cabeçote e, portanto, a embreagem não
sofre praticamente nenhum desgaste. Em seguida o mecanismo é invertido sob rotação
completa do eixo, e a reversão do eixo re-acopla a embreagem fazendo com que a
Cabeçote Rosqueador auto reversíveis
Cone HSK
Corpo do
cabeçote
Macho de
corte
Sistema de
travamento
42
ferramenta acoplada gire no sentido oposto, mas o sentido de giro do cabeçote da máquina
é mantido no sentido horário (Sanches Blanes, 2017).
Os cabeçotes rosqueadores auto reversores ainda apresentam um mecanismo
flutuante que garante a qualidade dos filetes de rosca dentro das tolerâncias. Em caso de
desalinhamento do centro do fuso com centro da peça a ser rosqueada, o sistema protege o
rosqueamento contra a pressão lateral. Assim, é possível o retorno da ferramenta para o
centro automaticamente após cada operação de rosqueamento (Sanches Blanes, 2017).
Além disso, a compensação axial trabalha através de uma gaiola de esferas e mesmo
com torques extremos, a livre circulação axial evita danos aos filetes de rosca. Assim,
quando a taxa de alimentação (avanço) e passo do cabeçote não coincidem, o sistema
corrige e compensa este erro durante a geração dos filetes de rosca, mesmo em operações
de rosqueamento onde são empregados perfis de rosca maiores (Sanches Blanes, 2017).
Considerando o abordado em processos de rosqueamento e cabeçotes de
rosqueamento, pode-se observar que existem vários estudos com foco principalmente no
torque, no tempo de vida de ferramentas e nas coberturas das ferramentas. Por outro lado,
não existe um estudo com foco em uma comparação das opções de cabeçotes rosqueadores
encontrados no mercado considerando, por exemplo, o tempo de fabricação de roscas e o
perfil final dos filetes, inclusive para diferentes processos de fabricação como usinagem e
laminação de roscas.
Deve-se considerar que diferentes cabeçotes produzem respostas diferentes, como
por exemplo, torque e força axial, para os vários processos de rosqueamento. Um tipo de
cabeçote pode apresentar um bom desempenho no processo de rosqueamento por
usinagem, mas não ser eficiente no rosqueamento por laminação. Além disso, tempos
exatos de produção de roscas considerando as três fases básicas de um processo de
rosqueamento como usinagem da rosca, parada de máquina e retorno da ferramenta não
foram ainda estudados minuciosamente com vistas a otimização deste tipo de processo.
Portanto, considerando as informações científicas disponíveis atualmente, nota-se
que existe uma lacuna interessante a ser preenchida, abrindo um leque de várias opções
para futuros trabalhos a serem desenvolvidos e permitindo o aumento do conhecimento
destes processos, rosqueamento por usinagem de roscas, rosqueamento por laminação de
roscas e fresamento de roscas, com vistas a melhoria da qualidade dos filetes de rosca e a
otimização de tempo e métodos com foco no aumento da produtividade das ferramentas e
que seja proporcional ao número de furos roscado produzidos.
43
1.4 Sistemas de Lubrirrefrigeração
Desde quando foi empregado pela primeira vez por F. W. Taylor em 1890 como
sistema de resfriamento, a água tem tido papel determinante na melhoria dos processos de
usinagem. Sabe-se desde os primórdios da revolução industrial, que a refrigeração dos
sistemas de usinagem gera grandes melhorias de qualidade e aumento de vida útil das
ferramentas de corte. Desta forma, o uso de sistemas de refrigeração baseado em misturas a
base de água e óleo passou a fazer parte do cotidiano das empresas tornando essencial e
presente em todos os setores da manufatura.
Segundo Baumeister (1978) os chamados fluidos de corte são compostos químicos
formados por líquidos e gases que são aplicados na região entre as ferramentas de corte e o
material que está sendo usinado com o objetivo de facilitar a operação de usinagem. Estes
tipos de fluidos são frequentemente chamados de lubrificantes ou refrigerantes, pois uma
das suas principais funções nos processos de usinagem é reduzir o atrito entre a ferramenta
e a região da peça que está sendo fabricada e diminuir a temperatura na região de corte.
Dessa forma, em muitas situações são chamados de fluidos lubrirefrigerantes.
O fluido mais comumente empregado nos processos de fabricação é a emulsão
devido a capacidade emulsificante que seus componentes apresentam para manter
lubrificada toda a região de corte. As emulsões podem se apresentar leitosas ou
transparentes e isto ocorre devido ao tamanho das suas gotículas que para emulsão leitosa
este tamanho varia de 2 a 4 μm e para emulsão translúcida este tamanho varia de 0,5 a 1,5
μm. Estes tipos de óleos ainda podem conter aditivos que são elementos antioxidantes e os
agentes EP. Os agentes EP são aditivos que reagem quimicamente com a superfície
metálica e formam uma película que reduz o atrito. Alguns tipos de agentes EP são a
matéria graxa, o enxofre, o cloro e o fósforo (INLUB, 2017).
Do torneamento, passando pela furação, pelo brochamento, alargamento e o
rosqueamento a aplicação dos fluidos emulsionáveis é vasta com uma grande opção de
fluidos com diferentes composições químicas. Em todos estes processos existe uma
garantia de lubrificação por parte do óleo de corte e de refrigeração por parte da água usada
na mistura. Entretanto, existe um grande desperdício considerando a eficiência do uso
deste sistema em processos de usinagem.
Diversos autores têm desenvolvido estudos com foco na melhoria da qualidade
baseados nos parâmetros de rugosidade tradicionais. Segundo Feldshtein; Józwik; Legutko
44
(2016) o uso de emulsões com sistemas alternativos tem a capacidade de aumentar a
eficiência de refrigeração e melhorar significativamente o cabeamento de peças torneadas.
Os autores usaram ar comprimido em conjunto com emulsão a 6% e reduziram de 9 a 15%
do valor de rugosidade. Isto demonstra que se aumentando a capacidade de resfriamento da
água empregada na emulsão, com sistemas alternativos, existe um aumento significativo da
qualidade dos produtos usinados.
Lawal; Choudhury; Nukman (2014) encontraram aumento de 51,1% de redução dos
esforços de corte no torneamento quando alteradas as condições dos fluidos de corte.
Segundo os autores, se dosagem dos tradicionais fluidos de corte emulsionáveis for bem
balanceada existe uma forte melhoria dos esforços de corte. Neste trabalho a melhoria dos
esforços de usinagem colabora com a minimização do desgaste da ferramenta e com a
possibilidade de quebra prematura.
Por outro lado, Feldshtein e Wojciechowski (2017) que estudaram o efeito dos
fluidos de corte em processos de torneamento demonstram que a presença de fósforo e
cobre na composição química dos óleos emulsionáveis pode minimizar de forma
significativa a evolução do desgaste das ferramentas. No torneamento existe um controle
mais facilitado por parte do posicionamento dos bicos injetores de óleo na região de corte
que facilita a aplicação do sistema de lubrirrefrigeração. Entretanto, para outros sistemas
produtivos como a furação o alargamento e o rosqueamento este controle é mais
dificultado.
Nos estudos de furação, autores como Dias; Souza; Lucas (2015) o processo de
furação foi estudado com óleos com estruturas modificadas, observou-se que as
formulações desenvolvidas a partir de ésteres gordurosos de amido podem competir
tecnicamente com o fluido de perfuração padrão e o desempenho desses materiais está
associado ao grau de modificação química do polissacarídeo. Isto mostra que apenas a
alteração de composição química dos óleos de corte pode torna-los mais eficientes.
Considerando a necessidade de remoção de calor, ou seja, resfriamento da região de corte
Lauro et al. (2013) estudaram o fluxo de calor no processo de furação com diferentes
sistemas de resfriamento. Os autores, que monitoraram a temperatura com termopares e
usaram o método de elementos finitos para determinar os valores de fluxo de calor,
demonstram que a emulsão tem uma boa capacidade de resfriamento do processo podendo
a temperatura em valores próximos aos sistemas de emulsão.
45
Dessa forma, considerando os aspectos ambientais o uso de sistemas de MQL –
mínima quantidade de lubrificação, tem sido exaustivamente testado nas últimas décadas.
A vertente de menos poluição do meio ambiente com a redução do uso de fluidos
agressivos e com aplicação de técnicas alternativas tem alterado a agenda das pesquisas em
fluidos lubrirefrigerantes. A grande dificuldade que se tem no chão de fábrica em relação a
completa utilização de sistemas de MQL está focada no enclausuramento das máquinas,
pois a névoa formada pelos sistemas de MQL e comprovadamente prejudicial à saúde dos
operadores e a perfeita aplicação da névoa de fluido em furos profundos que só é perfeita
quando são empregadas ferramentas com lubrificação interna.
Para os processos de rosqueamento, a aplicação de lubrirrefrigeração com MQL pode
ser considerada mais eficiente, pois o fluxo de calor gerado no processo é muito baixo e as
gotículas de óleo apresentam mais eficiência na redução do atrito (BRANDÃO e
COELHO, 2009). Isto ocorre devido ao fato que a região de corte em processos de
rosqueamento é muito pequena e o calor gerado é mínimo com baixas temperaturas na
interface ferramenta/peça.
Ribeiro Filho et al. (2017) estudaram a aplicação de MQL no processo de
rosqueamento na liga de Alumínio A306. As informações encontradas neste trabalho estão
de acordo com as obtidas nesta dissertação, pois os óleos testados tiveram influência em
diminuir os valores de torque, porém por outro lado, os valores de força de avanço foram
também elevados.
Dessa forma, pode-se afirmar que os sistemas de MQL apresentam-se mais eficientes
no processo de rosqueamento quando comparados com o processo de torneamento. Isto se
deve ao tipo de processo e sua remoção de material, geometria da ferramenta e tamanho da
seção de corte. Em alguns processos de torneamento, mesmo em condições de acabamento,
existe uma elevação da temperatura, como no caso do torneamento dos aços endurecidos
onde as temperaturas podem atingir entre 500 a 800 (CHEN et al., 2017; LI et al. 2016).
Assim, percebe-se que para os processos onde a ferramenta atua de forma mais restrita
como no caso da furação, alargamento e rosqueamento o MQL é mais eficiente, pois atua
exclusivamente como um minimizador do coeficiente de atrito.
Além disso, considerando as características da necessidade do uso de fluidos de corte
em processos de usinagem o uso dos sistemas de MQL mostra-se o mais adaptado para a
aplicação no processo de rosqueamento por usinagem o que torna este processo
46
ambientalmente correto neste aspecto, devido ao menor impacto no consumo e
contaminação por óleo no meio ambiente.
Para o processo de rosqueamento por laminação, o uso de sistemas de MQL torna-o
ainda mais ambientalmente correto devido ao fato deste não produzir a geração de cavacos
e, portanto, além do baixo consumo de óleo de corte citado anteriormente existe a não
geração de refugos na forma de cavacos que podem comprometer o ambiente em alguns
casos, e em outras situações, podem levar a refusão de sucata que gerariam gastos de
energia desnecessários.
1.5 Planejamento experimental
Planejamento experimental é uma técnica utilizada para realizar experimentos de
forma que se consiga controlar as variáveis de um processo ou sistema que se deseja
avaliar e/ou controlar e obter respostas precisas quando ocorre a variação destes
parâmetros. Assim, empregando-se esta técnica pode-se definir quais dados, a quantidade e
quais condições devem ser coletados as informações durante um determinado experimento.
Segundo Montgomery (1997) o objetivo básico de se realizar um planejamento de
experimentos é satisfazer dois grandes objetivos que são definir a maior precisão estatística
possível na resposta e o menor custo para a realização destes experimentos. Portanto, uma
técnica de extrema importância para a indústria e para a área científica, pois para as duas
situações o seu emprego permite encontrar resultados mais confiáveis proporcionando a
economia de dinheiro e tempo.
Paralelamente, a aplicação da técnica de planejamento de experimentos no
desenvolvimento de novos produtos também é muito importante. Isto porque para que
ocorra uma maior qualidade dos resultados dos testes experimentais pode-se conseguir
finalizar um projeto com desempenho superior, considerando principalmente suas
características funcionais de trabalho e a sua robustez. Entretanto, esta ferramenta não
substitui o conhecimento técnico/científico do especialista sobre o assunto e não pode ser
considerada como uma análise fria de dados qualitativos e/ou quantitativos, pois o domínio
e conhecimento do problema que se deseja estudar é de fundamental importância.
Deve-se ter em mente que, em estatística, que é um ramo da matemática que trata da
coleta, da análise, da interpretação e da apresentação de massas de dados numéricos, o
planejamento de experimentos corresponde a uma área de estudos que desenvolve técnicas
47
de planejamento e análise de experimentos. Atualmente, existem inúmeras técnicas, com
vários níveis de sofisticação e aplicações específicas, pois deve-se sempre inicialmente,
estudar qual a melhor técnica e análise dos dados. Pode-se considerar que as técnicas mais
conhecidas e de aplicação mais frequentes na área científica são; Tratamento em pares,
Tratamento em blocos, Quadrado Latino, Quadrado Greco-Latino, Quadrado Hiper-Greco-
Latino, Experimentos Fatoriais (BUSSAB; MORETTIN, 2002).
Nos planejamentos de experimentos ainda existem algumas terminologias para o
bom entendimento da metodologia empregada, sendo os principais conceitos
(WERKEMA; AGUIAR, 1996):
Fatores ou Tratamentos: são as variáveis que se pode controlar ou variáveis de
entrada que se deseja alterar para avaliar sua influência sobre as respostas;
Níveis: correspondem às faixas de valores das variáveis de controle que se desejam
utilizar durante os experimentos. Estes níveis normalmente devem ser conhecidos
previamente ou serem informados de acordo comas suas características técnicas;
Variável resposta: corresponde ao parâmetro de saída que se deseja avaliar,
corresponde ao resultado de uma variação que se realizou nas variáveis de entrada;
Aleatorização: é a prática de realizar a escolha dos pontos experimentais, que estão
dentro da faixa dos niveis por meio de um processo aleatório. Esta prática garante
as condições de independência dos dados coletados e evita erros sistemáticos;
Blocos: são agrupamentos de dados para eliminar fontes de variabilidade que não
são de interesse do estudo e do analista dos dados;
O uso do planejamento de experimentos tem sido usado cotidianamente na academia
para realizar testes experimentais, pois pode-se em alguns casos reduzir o número de
experimentos e os custos de projetos de pesquisa. A Tabela 1 mostra uma definição sucinta
de cada tipo de planejamento, a sua recomendação e aplicação e as informações que se
pode obter.
Tabela 1. Tipos de Planejamentos, caracterização, aplicação, estrutura e informações
obtidas
Classificação Aplicação Estrutura Informações obtidas
Totalmente aleatorizado com
um único fator
Apropriado quando apenas um fator
experimental está sendo estudado
O efeito do fator é estudado por meio da alocação ao acaso das unidades
experimentais aos tratamentos (níveis do
fator).
Os ensaios devem ser realizados
aleatoriamente.
1 - Estimativa e
comparações dos efeitos dos
tratamentos
2 - Estimativas da variância
Fatorial Usado quando vários fatores devem ser estudados em dois ou mais níveis
Em cada repetição completa do experimento todas as combinações possíveis dos níveis
1 - Estimativas e comparações dos efeitos dos
48
e as interações entre os fatores podem
ser importantes
dos fatores (tratamentos) são estudadas.
A alocação das unidades experimentais aos
tratamentos e a ordem de realização dos ensaios são feitas de modo aleatório.
fatores
2 - Estimativa dos possíveis
efeitos de interações 3 - Estimativa da variância
Fatorial 2k em blocos
Apropriado quando o número de ensaios necessários para o
planejamento em k fatores em 2 níveis
é muito grande para que sejam realizados sob condições homogêneas
O conjunto completo de tratamentos é divido
em subconjuntos de modo que as interações
de ordem mais alta são confundidas com os blocos.
São tomadas observações em todos os
blocos. Os blocos surgem geralmente como
consequência de restrições de tempo,
homogeneidade de materiais, etc.
Fornece as mesmas
estimativas do planejamento fatorial, exceto algumas
interações de ordem mais
alta que não podem ser estimadas porque estão
confundidas com os blocos.
Fatorial 2k
fracionário
Empregado quando existem muitos
fatores (k muito grande) e não é
possível coletar observações em todos os tratamentos
Vários fatores são estudados em dois níveis,
mas somente um subconjunto do fatorial completo é executado.
A formação dos blocos algumas vezes é
possível.
1 - Estimativas e
comparações dos efeitos de
vários fatores 2 - Estimativa de certos
efeitos de interação (alguns
efeitos podem não ser estimáveis)
3 - Certos planejamentos
fatoriais fracionários (quando k é pequeno) não
fornecem informações
suficientes para estimar a variância
Blocos aleatorizados
Apropriado quando o efeito de um
fator está sendo estudado e é necessário controlar a variabilidade
provocada por fatores perturbadores
conhecidos. Estes fatores perturbadores (material, tempo,
pessoas, etc.) são divididos em blocos
ou grupos homogêneos
São tomadas observações correspondentes a
todos os tratamentos (níveis do fator) em cada bloco.
Usualmente os blocos são considerados em
relação a um único fator perturbador.
1 - Estimativas e
comparações dos efeitos dos
tratamentos livres dos efeitos do bloco
2 - Estimativas dos efeitos
do bloco 3 - Estimativa da variância
Blocos Incompletos Balanceados
Empregado quando todos os
tratamentos não podem ser
acomodados em um bloco
Os tratamentos testados em cada bloco são
selecionados de forma balanceada: dois
tratamentos quaisquer aparecem juntos em
um mesmo bloco o mesmo número de vezes que qualquer outro par de tratamentos
1 - Idêntico ao planejamento
em blocos aleatorizados.
2 - Os efeitos de todos os
tratamentos são estimados com igual precisão
Blocos Incompletos Parcialmente
Balanceados
Usado quando um planejamento em
blocos incompletos balanceados
necessita de um número de blocos excessivamente grandes
Alguns pares de tratamentos aparecem juntos
n1 vezes, outros pares aparecem juntos n2
vezes, ..., e os pares restantes aparecem juntos m vezes.
Idêntico ao planejamento em
blocos aleatorizados, mas os efeitos dos tratamentos são
estimados com diferentes
precisões
Quadrados Latinos
Apropriado quando um fator de interesse está sendo estudado e os
resultados podem ser afetados por
duas outras variáveis experimentais ou por duas fontes de
heterogeneidade. É suposta a ausência de interações
O quadrado latino é um arranjo para permitir dois grupos de restrições de bloco.
Os tratamentos são distribuídos em
correspondência à s colunas e linhas de um quadrado.
Cada tratamento aparece uma vez em cada
linha e uma vez em cada coluna. O número de tratamentos dever ser igual ao
número de linhas e colunas do quadrado. Os blocos são formados em relação a duas
variáveis perturbadoras, as quais
correspondem à s colunas e linhas do quadrado.
Estimativas e comparações
dos efeitos dos tratamentos
livres dos efeitos das duas variáveis bloco.
Estimativas e comparações
dos efeitos das duas
variáveis de bloco
Estimativa da variância
Quadrados de
Youden
Similares aos quadrados latinos, mas
o número de linhas, colunas e tratamentos não precisam ser iguais
Cada tratamento ocorre uma vez em cada
linha. O número de tratamentos deve ser
igual ao número de colunas. Os blocos são formados em relação a duas variáveis
perturbadoras
Idêntico ao planejamento em
quadrados latinos
Hierárquico
Experimentos com vários fatores em que os níveis de um fator (B) são
similares, mas não idênticos para
diferentes níveis de outro fator (A). Ou seja, o j-ésimo nível de B quando
A está no nível 1 é deferente do j-
ésimo nível de B quando A está no
nível 2 e assim por diante
Os níveis do fator B estão aninhados abaixo dos níveis do fator A
1 - Estimativas e
comparações dos efeitos dos fatores
2 - Estimativa da variância
Superfície de resposta
O objetivo consiste em fornecer
mapas empíricos ou gráficos de
contorno. Estes mapas ilustram a
Os níveis dos fatores são vistos como pontos
no espaço de fatores (muitas vezes
multidimensional) no qual a resposta será
1 - Mapas que ilustram a
natureza e a forma da
superfície de resposta
49
forma pela qual os fatores, que podem
ser controlados pelo pesquisador,
influenciam a variável resposta
registrada
Fonte: (WERKEMA; AGUIAR, 1996; MONTGOMERY, 1997; MYERS,
MONTGOMERY; ANDERSON-COOK, 2016)
Dessa forma, observa-se que existem inúmeros planejamentos que podem ser
desenvolvidos para um perfeito planejamento de experimentos. O pesquisador deve ter em
mente o tipo de resposta que deseja obter, como irá variar os parametros de entrada,
quantas repetições e quantas réplicas serão realizadas, o formato dos gráficos gerado pelo
software estatísitco entre outras observações.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo são apresentados todos os equipamentos, ferramentas e materiais
empregados na realização dos testes experimentais. Além disso, é descrito qual foi a
estratégia empregada nos testes experimentais assim como o modelo estatístico utilizado.
2.1 Ferramentas
As ferramentas empregadas nos testes experimentais foram machos de corte e
machos laminadores da empresa Emuge-Franken sendo os modelos Rekort 1 com
cobertura de TIN (Nitreto de Titânio) conforme DIN 371 (2016) para os testes de
rosqueamento com machos de corte, conforme observado na Figura 18. Para as roscas
laminadas foi usado o modelo Innoform 1 com cobertura de TIN (Nitreto de Titânio)
conforme DIN 2174 (2008), observado na Figura 19.
Figura 18. Macho de corte empregado nos testes experimentais (Emuge Franken, 2010)
10 x P
1,5 a 2
Profundidade máxima
para furo cego
39 mm
100 mm
= 8 mm
Diâmetro d1 = 10 mm; Passo P = 1,5 mm
Tipo de chanfro
50
Figura 19. Macho laminador empregado nos testes experimentais (Emuge Franken, 2010)
Todas as ferramentas, machos de corte e machos laminadores tinham a geometria
para fabricar roscas M10 com passo 1,5 mm e ambas eram fabricadas de aço rápido
especial (HSSE) com uma cobertura de TiN (Nitreto de Titânio) com espessura de 2
micrômetros. A rosca M10 com passo 1,5 mm é uma rosca padrão muito empregada em
motores de automóveis e demais componentes automobilísticos (CARVALHO, 2011).
2.2 Material
O material usado nos experimentos foi o alumínio 7075-T651 muito empregado nas
indústrias metal/mecânica, principalmente no setor aeroespacial. O alumínio 7075-T651
pode ser considerado como um referencial para a fabricação de moldes produtos plásticos,
atendendo desde componentes para a indústria automobilística até elementos para
computadores, pet, robótica, matrizaria, automação, brinquedos, entre outros. O alumínio
7075-T651 possui o seu peso específico de 2,85g/cm3 e um liga de AlZn, tratável
termicamente, alta resistência mecânica, boa resistência à corrosão e boa conformação. A
Tabela 2 mostra a composição química da liga de alumínio 7075-T651.
Tabela 2. Propriedades químicas da liga Al 7075-T651
Elemento Cr Cu Fe Mn Ni Si Ti Zn Zn+Ti Outros Al
Min. 0,18 1,2 - - - - - 5,1 - 0,05 Bal.
Max. 0,28 2,0 0,50 0,30 0,05 0,40 0,20 6,1 0,25
10 x P
2 a 3Profundidade máxima
Furo cego e passante
39 mm
100 mm
= 8 mm
Diâmetro d1 = 10 mm; Passo P = 1,5 mm
Tipo de chanfro
51
As dimensões do corpo de prova eram 122 mm de comprimento, 22 mm de altura e
18 mm de largura. Os testes experimentais foram realizados em furos cegos roscados que
tinham a profundidade de 15 mm, considerando-se a média de 1,5 vezes o diâmetro da
ferramenta e 10 vezes o comprimento do passo de rosca. Os diâmetros iniciais de furação
foram realizados de acordo com o fornecedor das ferramentas, sendo o diâmetro de 8,5 mm
para as ferramentas de usinagem e 9,3 mm para as ferramentas de laminação. Estes
diâmetros iniciais são padronizados de acordo com a norma NBR ISO 724 (2004). Figura
20 mostra o detalhe construtivo dos corpos de prova.
Os ressaltos laterais no corpo de prova foram usados para manter o corpo de prova
fixo no dispositivo que foi desenvolvido para realizar a transição da fixação do corpo de
prova no dinamômetro. Além disso, este dispositivo de fixação evitava que durante a
retração da ferramenta, o corpo de prova fosse puxado pelo macho e também funcionavam
como trilhos para movimentação com precisão dentro do dispositivo de fixação. Cada furo
roscado foi realizado com uma distância fixa de 13 mm entre centros, gerando uma parede
mínima de 1,5 milímetros entre cada furo roscado.
Figura 20. Detalhe do corpo de prova usado nos experimentos (Fonte: autoria própria)
2.3 Centro de Usinagem
Os testes experimentais foram realizados em um centro de usinagem da marca ROMI
modelo Discovery 560 com dimensões de 560 x 440 x 350 mm (X, Y e Z). O avanço
rápido do equipamento é de 30 m/min com 10.000 RPM e 12,5 kW de potência no eixo
arvore. O comando CNC usado é Siemens 840. O centro de usinagem está alocado no
22
mm
15
mm
Corpo de prova
Dinamômetro
Dispositivo de
Fixação dos corpos
de prova
M10
15 m
m
20 m
m
22 m
m
Corte transversal
do corpo de prova
52
Laboratório de processos de Fabricação do Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de São João del-Rei.
Figura 21. Centro de usinagem usado nos experimentos (Fonte: Autoria própria)
2.4 Equipamentos
Os dados de força axial Fz (N) e Torque Mz (N.m) monitorados durante os
experimentos foram realizados utilizando-se um dinamômetro marca Kistler modelo 9272,
mostrado na Figura 22, com uma taxa de aquisição de 500 Hz acoplado a um computador
Intel Pentium Dual Core E2200 – 2.2GHz. A taxa de aquisição utilizada permitiu uma
amostragem de dados muito acima do valor recomendado por Shaw (2004) que é de 4,5
vezes a frequência de rotação do equipamento.
Figura 22. Modelo do Dinamômetro usado nos experimentos (Kistler, 2017)
53
2.5 Cabeçotes rosqueadores
Foram usados três cabeçotes de rosqueamento nos testes experimentais. Os modelos
empregados foram os seguintes:
1. Cabeçote com sistema de compensação axial fabricado pela empresa Sanches
Blanes modelo MRCC/BT, com compensação axial nos dois sentidos, conforme pode ser
observado na Figura 14;
2. Cabeçote com sistema de compensação axial fabricado pela empresa Emuge-
Franken modelo Sofsyncro, com compensação axial apenas sentido de fabricação da rosca,
conforme pode ser observado na Figura 16;
3. Cabeçote rosqueador auto reversível fabricado pela empresa Sanches Blanes
modelo TAPMATIC - RCT/BT-HSK-A, conforme pode ser observado Figura 17.
O motivo para o uso destes três tipos de cabeçotes foi a comparação dos esforços de
torque Mz e força axial Fz e tempo que estes sistemas realizam as roscas. Além disso,
existem estudos, em grande parte, sobre os processos de usinagem de roscas necessitando
de uma comparação da aplicação destes cabeçotes com dois processos distintos de
fabricação de roscas que são a usinagem e laminação.
2.6 Planejamento estatístico e experimental
A Figura 23 mostra o detalhe da fixação dos corpos de prova com uma vista auxiliar
mostrando um corte transversal do corpo de prova e as dimensões básicas. Este tipo de
fixação permitiu que o corpo de prova fosse deslocado no sentido lateral, proporcionando
um maior aproveitamento do corpo de prova e possibilitando que todos os testes fossem
realizados exatamente no centro do dinamômetro. Cada corpo de prova possibilitou a
realização de 9 experimentos.
54
Figura 23. Detalhe do sistema de fixação nos testes experimentais
Os parâmetros de usinagem e laminação das roscas seguiram a recomendação do
fabricante das ferramentas. As duas ferramentas eram roscas M10 com passo normal de 1,5
milímetros. O limite máximo e mínimo para as velocidades de corte e laminação foram os
mesmos para os dois processos para que fosse possível uma comparação entre processos,
pois a previsão era a comparação dos esforços de torque e força axial. Na Tabela 3 são
exibidos os parâmetros de entrada com seus respectivos níveis.
Para uma completa análise estatística foi desenvolvido um planejamento em blocos
aleatorizados, que é empregado quando o efeito de um fator está sendo estudado e é
necessário controlar a variabilidade provocada por fatores perturbadores conhecidos. Estes
fatores perturbadores para estes experimentos foram tipo de macho, tipo de cabeçote e tipo
de sistema homogêneos totalizando 108 experimentos totais.
Tabela 3. Parâmetros de entrada estudados e seus respectivos níveis
Parâmetros de entrada Níveis dos parâmetros de entrada
-1 0 1
Velocidade de corte e/ou laminação [m/min] 15 27 40
Tipo de cabeçote rosqueador (modelo) Autoreversor Emuge Sanches
Parâmetros de entrada Níveis dos parâmetros de entrada
-1 +1
Sistema de lubrificação MQL Emulsão
Tipo de Processo de rosqueamento Usinagem Conformação
Para cada tipo de cabeçote foi realizado um conjunto de experimentos seguindo a
mesma rotina apresentada na Tabela 4. O motivo para este tipo de planejamento foi que
Corpo de prova
Dinamômetro
Dispositivo de
Fixação dos corpos
de prova
M10
15 m
m
20 m
m
22 m
m
Corte transversal
do corpo de prova
55
ficaria inviável a troca constante de cabeçotes e ferramentas para realizar um planejamento
completamente aleatorizado considerando os tempos demandaria na fixação e zeramento
das ferramentas e troca de cabeçotes rosqueadores. Assim, foi possível a realização dos
experimentos de forma mais rápida e a aleatorização aconteceu entre as três velocidades de
corte e/ou laminação e os dois tipos de emulsão que já se encontravam montados e
preparados no centro de usinagem.
Tabela 4. Esquema dos blocos utilizados para cada experimento.
Cabeçote Ferramenta Lubrificação Velocidade
Autorosqueador
Macho de corte
Emulsão
Vc1 (repetida 3 vezes)
Vc2 (repetida 3 vezes)
Vc3 (repetida 3 vezes)
MQL
Vc1 (repetida 3 vezes)
Vc2 (repetida 3 vezes)
Vc3 (repetida 3 vezes)
Macho laminador
Emulsão
Vl1 (repetida 3 vezes)
Vl2 (repetida 3 vezes)
Vl3 (repetida 3 vezes)
MQL
Vl1 (repetida 3 vezes)
Vl2 (repetida 3 vezes)
Vl3 (repetida 3 vezes)
Emuge ... ... ...
Sanches Blanes ... ... ...
Como resposta foram avaliados o torque Mz em [N.m], a força axial Fz em [N] e o
tempo [segundos]. Os dois sistemas de resfriamento foram o sistema de MQL – mínima
quantidade de lubrificação com vazão de 30 ml/h e pressão de 5 bar e o sistema de
Emulsão com aproximadamente uma concentração de 6% de óleo de corte e vazão de 20
l/h.
Os experimentos foram realizados aleatoriamente de forma que todos os parâmetros
de entrada foram testados entre si, porém a única adaptação foi que os testes com os
cabeçotes rosqueadores foram realizados em bloco, ou seja, os testes foram feitos com um
cabeçote rosqueador de cada vez e com um macho de laminação de rosca incialmente e
depois trocando para o macho de corte, os demais parâmetros foram aleatorizados dentro
de cada bloco. Foi necessário a realização deste tipo de variação considerando a
necessidade que houve uma necessidade de troca constante entre os cabeçotes e da troca
dos tipos de ferramentas de rosqueamento.
56
3 ANÁLISE DOS RESULTADOS
3.1 Torque obtido nos testes experimentais
A Figura 24 mostra o comportamento do momento Mz durante as quatro condições
de rosqueamento. Estes testes foram realizados com o cabeçote com compensação em
apenas no sentido de fabricação da rosca (cabeçote da empresa Emuge) e para a condição
com a velocidade intermediária, de corte e laminação, de 27 m/min. Observa-se que o
comportamento de todas as curvas de torque Mz foram similares com um aumento do
esforço sem grandes oscilações devido ao fato do sistema de fixação empregado nos
experimentos possuía apenas compensação no sentido axial. O tempo médio para esta
velocidade varia muito pouco com um valor de aproximadamente de 1,55 segundos.
Nota-se no gráfico todas as regiões padronizadas durante a realização de uma rosca
laminada ou usinada. A inclinação no começo dos gráficos ocorreu devido ao fato que a
parte cônica da ferramenta que entra de forma gradativa na peça com o movimento
simultâneo de rotação e avanço axial da ferramenta. Após a entrada da parte cônica do
macho, tanto para o processo de usinagem como para os processos de laminação, nota-se
que os gráficos se mantiveram aproximadamente constantes até que ocorresse a reversão e
o retorno da ferramenta. Nos gráficos da Figura 24 foi registrada a parte de manufatura da
rosca, o momento de parada e o retorno da ferramenta.
Pode-se observar na Figura 24 que o maior valor de torque foi obtido com o macho
de laminação de rosca, onde ocorreu o processo de conformação dos filetes de rosca, e
quando foi empregado o sistema de lubrificação com MQL. Entretanto, nota-se que para o
processo de laminação de rosca com emulsão ocorreu apenas uma pequena variação. Por
outro lado, o menor valor de torque foi obtido no rosqueamento por usinagem com o
sistema de fluido, sendo que o processo de usinagem com MQL também ficou na mesma
faixa. Nota-se que em todos os testes, o valor do torque com o processo de laminação de
rosca sempre foi maior que o valor de usinagem, o que já era esperado com as
informações apresentadas por diversos autores (CARVALHO et al., 2011; FROMENTIN
et al., 2005; FROMENTIN et al., 2010)
Observa-se que o uso do sistema de MQL teve pouco efeito nos processos de
conformação e usinagem, quando comparado com o sistema de lubrificação por emulsão,
por reduzir os valores de torque. Nota-se para o processo de usinagem que os dois
sistemas mantiveram os valores de torque na mesma faixa. Para efeitos de comparação,
57
todos os gráficos da Figura 24 são para a velocidade de 27 m/min, sendo esta velocidade
de corte e/ou laminação, o ponto intermediário das velocidades empregadas nos testes
experimentais. Para as velocidades de corte e/ou laminação de 15 e 40 m/min o
comportamento do torque Mz foi similar com variações nos pontos de máximo e mínimo
das curvas. Estas variações e as influencias destas nas respostas de torque (N.m), força
axial (N) e tempo (s) são apresentadas e discutidas nas seções posteriores deste trabalho.
Figura 24. Gráfico comparativo dos Momentos Mz para velocidade de 27 m/min (Fonte:
Autoria própria)
3.2 Força axial obtida nos testes experimentais
A Figura 25 mostra o comportamento da Força Axial Fz para as quatro condições
testadas, considerando o processo de laminação de rosca e usinagem de rosca. Neste
gráfico também foi considerado o cabeçote com compensação em apenas no sentido de
fabricação da rosca ( cabeçote da Emuge). Assim como aconteceu nos gráficos da Figura
24, as quatro curvas registradas na Figura 25 também representam os esforços para a
velocidade intermediária de 27 m/min e as curvas foram registradas com o comportamento
total do processo de rosqueamento incluído a parada do processo e o retorno da ferramenta.
Assim, da mesma forma que aconteceu com o gráfico de torque, pode-se definir
inicialmente que o maior valor de força axial Fz foi para o rosqueamento por laminação
quando foi empregado os sistemas de lubrificação por MQL e o menor valor para a força
axial ocorreu quando foi empregado o sistema de lubrificação com emulsão no
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
Conformação - MQL Usinagem - MQL
Conformação - Emulsão Usinagem - Emulsão
Tempo [s]
Torq
ue
[N.m
]
Retorno da ferramentaRegião cônica Região cilíndrica
Região de parada e
Reversão da ferramenta
58
rosqueamento por usinagem, da mesma forma que ocorreu nos esforços de torque
representados na Figura 24.
Assim, como aconteceu para o esforço de torque, considerando as velocidades de
corte e/ou laminação de 15 e 40 m/min o comportamento da força axial Fz foi similar com
variações apenas nos pontos de máximo e mínimo das curvas. A contrário do que
aconteceu com o esforço de torque, os gráficos de força axial não apresentaram uma região
cilíndrica, mas, uma região de rampa, porém, com menor inclinação que a região que
representa a parte cônica dos machos de corte e de laminação.
Este fato pode ser explicado considerando que para o esforço axial mesmo após a
fabricação da rosca, que basicamente acontece na região cônica do macho, o esforço de
corte ainda continua acontecendo devido ao esforço de laminação e/ou usinagem que é
uma decomposição dos vetores radiais e axiais do processo devido ao movimento
helicoidal que o macho necessita fazer para fabricar o filete de rosca.
Dessa forma, pode-se considerar que existe um grande valor de atrito no
deslocamento do macho de corte e/ou laminador no sentido de fabricação dos filetes de
rosca. Este fato, relacionado ao atrito, pode ser comprovado no retorno da ferramenta, onde
nota-se que existe um esforço maior no sentido contrário (negativo) para as ferramentas de
laminação, independente do sistema de lubrificação empregado, do que para as ferramentas
de usinagem.
Isto pode ser também definido baseado na recuperação elástica do material, que
tende a aumentar o atrito entre a ferramenta e o material, pois na condição das roscas
usinadas, deve-se considerar que houve, praticamente, remoção completa do material e no
caso da laminação de roscas houve uma deformação na região do filete que provocou um
rearranjo do material laminado dentro do furo e que pode ter provocado um aumento do
atrito no retorno da ferramenta de corte.
59
Figura 25. Gráfico comparativo das Forças Axiais Fz para velocidade de 27 m/min (Fonte:
Autoria própria)
3.3 Análise estatística dos resultados experimentais
Abaixo são demonstrados os resultados obtidos com os três cabeçotes empregados
neste trabalho, a saber; cabeçote com compensação axial nos dois sentidos (A), cabeçote
com compensação axial apenas no sentido de fabricação da rosca (B) e cabeçote auto
reversível (C). Além disso, na Tabela 5, é apresentado também a influência do tipo de
sistema de lubrificação, onde foram empregados a emulsão e o sistema de Mínima
Quantidade de Lubrificação (MQL) e a variação da velocidade de corte nos processos de
rosqueamento por usinagem e por laminação.
Portanto, a Tabela 5 mostra os resultados da análise de variância onde pode-se
considerar o P-valor que corresponde a uma nível de significância de 95%. Assim, quando
os valores estão abaixo de 5% (0,05) pode-se afirmar que existe uma influência deste
parâmetro de entrada na resposta. Dessa forma, as três respostas, torque Mz (N.m), força
axial Fz (N) e Tempo (s), foram avaliadas na Tabela 5. Os valores de ajustes na Tabela 5
demonstram que os dados R2, R2(ajust) e R2(pred) apresentam valores para o torque e
para a força axial. Entretanto, para o tempo, o valor do ajuste para o torque ficou abaixo de
40%.
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
Conformação - MQL Usinagem - MQL
Conformação - emulsão Usinagem - emulsão
Fo
rça
axia
l [N
]
Retorno da ferramentaRegião
cônica
Região cilíndrica
Região de parada e
Reversão da ferramenta
Tempo[s]
0 0.2 0.4 0.6 08 1.0 1.2 1.4 1.6
60
Tabela 5. Análise de variância para os valores de torque Mz [N.m], força axial Fz [N] e
tempo [s] (Fonte: Autoria própria)
Parâmetros de entrada
Torque [N.m] Força axial [N] Tempo [s]
F
valor
P
valor
F
valor
P
valor
F
valor
P
valor
Lubrificação 60,77 0,000 36,22 0,000 1,65 0,203
Cabeçote 3,95 0,024 232,15 0,000 879,63 0,000
Processo 19,75 0,000 107,05 0,000 0,07 0,794
Velocidade 3,32 0,042 4,47 0,015 2075,84 0,000
Interação de dois fatores
Lubrificação*Cabeçote 14,72 0,000 18,15 0,000 3,83 0,026
Lubrificação*Processo 21,58 0,000 0,15 0,699 0,01 0,909
Lubrificação*Velocidade 3,29 0,043 1,37 0,261 2,25 0,110
Cabeçote*Processo 14,64 0,000 154,92 0,000 2,61 0,081
Cabeçote*Velocidade 0,55 0,696 1,53 0,203 219,67 0,000
Processo*Velocidade 1,46 0,239 2,78 0,069 0,25 0,782
Interação de três fatores
Lubrificação*Cabeçote*Processo 0,75 0,478 36,52 0,000 0,04 0,964
Lubrificação*Cabeçote*Velocidade 1,84 0,130 1,55 0,199 1,42 0,238
Lubrificação*Processo*Velocidade 0,97 0,383 1,75 0,182 0,04 0,959
Cabeçote*Processo*Velocidade 0,55 0,701 0,64 0,637 1,06 0,383
Interação de quatro fatores
Lubrificação*Cabeçote*Processo*Velocidade 0,63 0,643 1,85 0,130 0,01 1,000
Resumo para o torque [%]
R2
74,42
R2(ajust)
60,69
R2(pred)
39,10
Resumo para a força axial [%] 93,97 90,63 84,40
Resumo para o tempo [%] 99,98 98,45 97,58
O valor de R2 representa a proporção da variabilidade na variável resposta que se
deseja explicar a variação, no caso o torque a força axial e o tempo, pela variável
explanatória que foram a lubrificação, o cabeçote, o processo e a velocidade. Isto significa
61
que 74,42% para o torque, 93,97% para a força axial e 99,98% para o tempo que são as
variáveis dependentes, são os valores percentuais que variam de 0 a 1 e que o modelo
consegue explicar para os valores observados em cada experimento. Pode-se afirmar que
quanto maior o R², mais explicativo é o modelo e logo melhor ele se ajusta à amostra.
Por outro lado, R2 ajustado é usado quando se deseja comparar modelos que têm
diferentes números de preditores no caso os parâmetros de entrada testados. Portanto, o
valor de R2 ajustado sempre aumenta quando são adicionados novos preditores, ou
parâmetros de entrada ao modelo, mesmo que a inclusão destes termos não promova uma
melhoria ao modelo. Portanto, pode-se notar que não ocorreu este aumento, pois os valores
de R2 ajustado foram menores que R
2 e todos os parâmetros testados (preditores) foram
numericamente os mesmos para todas as respostas.
Finalmente, o valor do R2 predito tem a função de determinar o quão bem seu
modelo prediz as respostas quando novas observações forem testadas. Ou seja, se forem
testados, por exemplo, outros valores de velocidade de corte e/ou laminação, diferentes dos
originais e dentro da faixa testada, a resposta encontrada sempre estará dentro dos valores
preditos. Portanto, modelos que têm valores de R2 predito mais elevado têm melhor
capacidade preditiva das respostas. Entretanto, um R2 predito que é substancialmente
menor que o R2 pode indicar que o modelo está com excesso de ajuste como aconteceu
com valor de 39,10% para o torque.
Com base nas informações apresentadas na Tabela 5, a Figura 26 apresenta o
gráfico dos efeitos principais onde pode-se observar para o torque que todos os parâmetros
de entrada tiveram influência sobre esta resposta. Considerando o P-valor avalia-se apenas
os valores abaixo de 0,05 ou seja 5%. Isto significa que existe uma probabilidade de 95%
que alterando estes valores as respostas sofrem influência destas variações. Para a resposta
força axial nota-se que, assim como o torque todos os parâmetros de entrada tiveram
influência nesta resposta. Porém, para a resposta tempo nota-se que apenas o tipo de
cabeçote empregado e a velocidade tiveram influência.
Na Figura 26 observa-se que que a variação do parâmetro de entrada lubrificação
gerou uma redução de 36,52% no torque quando o sistema foi alterado de emulsão para
MQL. Para o tipo de cabeçote empregado temos inicialmente um aumento do torque
1,59% do cabeçote autoreversor para o cabeçote da Emuge e em seguida um aumento de
11,27% do cabeçote Emuge para o cabeçote Sanches Blanes.
62
Figura 26. Gráfico de efeitos principais para o torque (Fonte: autoria própria)
Para o tipo de processo nota-se uma redução no torque de 19,31% quando se muda
do processo de conformação de rosca para o processo de usinagem de rosca. Finalmente,
pode-se observar na Figura 27 uma redução de 13,34% no torque quando se aumentou a
velocidade de corte e/ou deformação de 15 para 40 m/min. Os maiores valores de torque
ficaram na faixa de 12,73 N.m quando foi usado o sistema de emulsão na lubrirrefrigeração
do processo e o menor valor de torque foi de 9,33 N.m quando foi empregado o sistema de
MQL.
Na Figura 27 nota-se que, assim como ocorreu para o torque, a força axial sofreu
influência de todos os parâmetro de entrada. Nota-se no primeiro gráfico que ao contrário
do torque a força axial teve um aumento de 32,52% quando foi mudado o sistema de
lubrificação de emulsão para MQL. Para a variação do tipo de cabeçote nota-se os maiores
valores de força axial com uma variação total de 298,53%.
Figura 27. Gráfico de efeitos principais para a força de avanço (Fonte: autoria própria)
36,5
2%
11,2
7 %
13,3
4 %
19,3
1 %
1,5
9 %
298,5
3%
63,3
4 %
32,5
2%
12,2
3 % 4
,90 %
63
Figura 27 observarmos que o tipo de processo teve um decréscimo de 63,34%
quando se muda do processo de laminação para o processo de usinagem de roscas e uma
variação de 12,23% quando se altera a velocidade de corte e/ou deformação de 15 para 27
m/min e em seguida uma redução de 4,9% quando se altera a velocidade de corte e/ou
deformação de 27 para 40 m/min. Pode-se notar ainda que somente o tipo de processo de
rosqueamento e a velocidade de corte e/ou laminação tiveram comportamento similares
para o torque e para a força axial com comportamento decrescente, para os outros
parâmetros de entrada o comportamento do torque e da força axial foram opostos. O maior
valor de força axial foi de 542,94 N e o menor de 136,23 N ambos para a variação do tipo
de cabeçote.
Na Figura 28 temos apenas os parâmetros cabeçote e velocidade influentes na
resposta tempo, com base nas informações da Tabela 5. Nota-se que o comportamento da
variação do cabeçote, inicialmente, apresentou uma redução de 109,08% do sistema
autoreversor para o sistema da Emuge. Por outro lado, quando foi variado o sistema da
Sanches ocorreu um aumento de 81,83% no tempo. Nota-se que o menor valor de tempo
foi quando foi empregado o sistema da Emuge gerando um tempo de 0,8735 segundos.
Para a variação da velocidade ocorreu uma variação de 57,53% quando a variação foi de
15 para 27 m/min e uma variação de 105,07% quando a velocidade variou de 27 para 40
m/min. O maior valor de tempo foi de 2,205 segundos e o menor valor de tempo foi de
0,686 segundos.
Figura 28. Gráfico de efeitos principais para o tempo (Fonte: autoria própria)
57
,53
%
10
5,0
7 %
81
,83
%
10
9,0
8 %
64
Na Figura 29 são apresentados os gráficos de interação para a resposta torque. As
interações acontecem quando dois parâmetros são alterados simultaneamente e se
comportam de forma diferente, ou seja, por exemplo, quando se varia o parâmetro de
entrada “A” e a resposta tende a aumentar e ao mesmo tempo se varia o parâmetro de
entrada “B” e a mesma resposta tende a diminuir conclui-se que estes parâmetros de
entrada têm interação entre si. Com base nisto, pode-se observar na Figura 29(a) que
quando se muda do cabeçote autoreversor para o cabeçote da Emuge empregando o
sistema de emulsão existe praticamente um comportamento linear no esforço de torque
para o sistema de MQL e um pequeno aumento para o sistema de emulsão, porém quando
se altera para o cabeçote da Sanches empregando emulsão e o sistema de MQL ocorreu
uma inversão no valor do torque. Nota-se que o sistema de emulsão provocou uma
diminuição no valor do torque e o sistema de MQL provocou um aumento do valor.
Da mesma forma, para o comportamento do torque na interação entre a lubrificação e
tipo de processo, considerando os sistemas de lubrificação empregados, observa-se na
Figura 29(b) que existe uma tendência a um comportamento quase linear para o torque
quando se varia o tipo de processo de rosqueamento e mantem-se a lubrificação por
emulsão, mas quando o sistema de lubrificação é alterado para MQL, existe uma queda
considerável no valor do torque para o processo de usinagem de roscas. Para a interação
entre a lubrificação e a velocidade, conforme apresentado na Figura 29(c), nota-se que o
uso do sistema de MQL manteve o torque com um comportamento quase linear, com uma
pequena oscilação na faixa de 9 N.m ao contrário do sistema de emulsão que em conjunto
com o aumento da velocidade gerou uma queda no valor do torque.
(a)
Torq
ue
(val
ore
s m
édio
s) [
N]
Torq
ue
(val
ore
s m
édio
s) [
N]
Torq
ue
(val
ore
s m
édio
s) [
N]
Torq
ue
(val
ore
s m
édio
s) [
N]
(b)
(c) (d)
65
Figura 29. Gráfico de Interação de dois fatores para o torque; a)Lubrificação*Cabeçote;
b)Lubrificação*Processo; c)Lubrificação*Velocidade e d)Cabeçote*Processo)
Na Figura 29(d) observa-se a interação entre o tipo de cabeçote e velocidade de corte
e/ou laminação. Nota-se que existe um comportamento quase paralelo para os cabeçotes
autoreversor e da Emuge, por outro lado o cabeçote da Sanches promoveu uma queda
significativa no torque quando se alterou do processo de laminação de roscas para o
processo de usinagem.
A Figura 30(a) exibe a interação entre os sistemas de lubrificação e o tipo de
cabeçote empregado para a variação da força axial. Nota-se que os dois gráficos têm
comportamento distintos e bem similares com a queda da força axial, a interação ocorre
com base na variação intermediária com o uso do cabeçote de Emuge que tende a variar
mais que os demais cabeçotes empregados nos testes de rosqueamento. Figura 30(b) nota-
se que existe uma tendência na diminuição da força axial quando se emprega os cabeçotes
autoreversor e da Emuge, senda esta queda bem maior para o cabeçote autoreversor e ao
contrário para o cabeçote da empresa Sanches nota-se um aumento da força axial.
Figura 30. Gráfico de Interação de dois fatores para a força axial; a)lubrificação*Cabeçote
e b)Cabeçote*Processo) (Fonte: Autoria própria)
Na Figura 31(a) é apresentada a interação entre a lubrificação e o tipo de cabeçote
empregado para o tempo de fabricação das roscas. Nota-se que existe uma tendência a
diminuição do tempo quando se emprega o cabeçote da Emuge para os dois tipos de
lubrificação empregados. O comportamento dos dois sistemas de lubrirrefrigeração é
similar, porém ambos apresentam uma queda no tempo de fabricação das roscas quando se
Fo
rça
axia
l [N
]
Fo
rça
axia
l [N
]
(a) (b)
66
varia do sistema autoreversor para o sistema da Emuge e voltam a ter um aumento quando
se muda para o sistema de Sanches.
Da mesma forma, na Figura 31(b) o tempo tem uma forte possibilidade de cair
quando se emprega isoladamente cada uma dos três tipos de cabeçote empregados e
aumenta-se simultaneamente a velocidade de corte e/ou laminação. Apesar do aumento da
velocidade de corte ou laminação ser proporcional para todos os cabeçotes empregados,
nota-se que para o sistema autoreversor ocorreu uma queda mais significativa no tempo ao
contrário do sistema da Emuge que teve uma queda menor, sendo que o mesmo apresentou
para as velocidades de corte e/ou laminação valores menores que os demais cabeçotes.
Figura 31. Gráfico de Interação de dois fatores para o tempo; a)Lubrificação*Cabeçote e
b)Cabeçote*Velocidade) (Fonte: Autoria própria)
Na Figura 32 é apresentada a interação entre a lubrificação, o tipo de cabeçote e o
processo de fabricação das roscas ou seja a interação de três fatores simultâneos. Na Figura
32(a) observa-se que com a variação do tipo de cabeçote existe uma tendência de queda
para a força axial para os dois tipos de sistema de resfriamento. O cabeçote autoreversor
apresentou os maiores valores de força axial para ambos os processos assim como o
cabeçote da empresa Sanches apresentou os menos valores de força axial
independentemente do tipo de sistema de lubrificação. Por outro lado a maior varrição foi
do sistema da Emuge que, como pode ser observado na Figura 32(a) trabalha gera menores
valores de força de avanço durante a fabricação de roscas.
Na Figura 32(b) temos um comportamento quase paralelo para os dois sistemas de
lubrirrefrigeração empregados, pois observa-se que ambos promoveram a queda da força
axial para os dois tipos de processos de rosqueamento. Sendo o processo de rosqueamento
Tem
po
[s]
Tem
po
[s]
(a) (b)
67
por usinagem o que demandou menor valor de força axial. Na Figura 32(c) é exibido o
comportamento da força axial com a variação simultânea do tipo de processo de
rosqueamento e da variação do tipo de cabeçote de rosqueamento. Nota-se que o cabeçote
autoreversor gerou a menor queda na força axial e o cabeçote da Sanches apresentou os
menores valores de força axial independente do processo de rosqueamento.
Por outro lado, o cabeçote da Emuge apresento um aumento da força axial quando se
variou do processo de laminação de roscas para o processo de usinagem de roscas.
Entretanto, estes dois cabeçotes apresentaram uma faixa de valores de força axial menor
que o cabeçote autoreversor.
Figura 32. Gráfico de Interação de três fatores para força axial
(Lubrificação*Cabeçote*Processo) (Fonte: Autoria própria)
3.4 Discussão dos resultados experimentais
De acordo com os dados da Figura 26 pode-se observar que o sistema de MQL
apresentou menor valor de torque no processo de rosqueamento. Para emulsão obteve-se os
maiores valores médios de torque que foram 12,74 N e para MQL foram registrados os
menores valores médios de 9,33 N. Isto demonstra que o sistema de MQL tem maior
capacidade de lubrificar a região de corte ou de deformação que o uso de emulsão. Os
fluidos emulsionáveis tem em média 6% de óleo na mistura para atuarem nos aspectos
lubrificantes, pois a água tem responsabilidade de atuar como refrigerante. Com base nisto,
pode-se considerar que o sistema de MQL com aplicação de 30 ml/h na forma de gotículas
apresentou melhor eficiência no aspecto de lubricidade.
(a) (b)
(c)
(a) (b)
(c)
Fo
rça
axia
l (v
alo
res
méd
ios)
[N
]
68
Estes resultados estão de acordo com os dados obtidos por diversos autores. Ribeiro
Filho et al. (2017) estudaram o uso de diferentes fluidos no rosqueamento da liga de
alumínio A306 com aplicação de MQL na influência da formação de rebarbas e na
variação dos esforços de corte. De acordo com o autor, sistemas de MQL tem uma
eficiência melhor para lubrificação, diminuindo não apenas o torque no rosqueamento por
laminação como também a formação de rebarbas na saída do furo. Maciel (2013) também
estudou o processo de laminação de roscas externas na liga de Titânio Ti-6Al-4V. Apesar
do autor não ter monitorado os esforços de corte, neste trabalho pode-se comparar a
qualidade da superfície das roscas, sendo que com o uso do sistema de MQL obteve-se as
melhores qualidades de perfis de rosca.
Bhowmick; Lukitsch; Alpas (2010) estudaram o rosqueamento da liga de alumínio
silício com lubrificação empregando sistemas de MQL. Segundo o autor o uso do sistema
de MQL com vazão de 80 ml/h e velocidades de corte na faixa de 10 a 50 m/min
proporcionou uma redução na formação de aresta postiça e gerou baixos valores de torque.
De acordo com os autores a presença de enxofre aditivos com base em fósforo nos fluidos
de MQL ajuda a prevenir a adesão do alumínio na formação da aresta postiça de corte.
Além disso, a temperatura foi monitorada e segundo os autores o sistema de MQL
proporcionou uma redução significativa na diminuição da temperatura baseado na redução
do atrito. O trabalho desenvolvido por Brandão (2009) também demonstrou que o sistema
de MQL tem boa efetividade na redução dos esforços de corte e temperatura no
rosqueamento de aços endurecidos. Segundo os autores o sistema de MQL quando bem
regulado tem uma boa capacidade de reduzir a temperatura nos processos de
rosqueamento.
Patel; Patel; Patel (2012) demonstraram que o rosqueamento da liga de Alumínio-
Silício com aplicação do sistema de MQL é altamente produtiva e eficiente, aumentando a
vida dos machos de corte significativamente. Apesar dos estudos que comprovam a
eficiência na redução da temperatura em processos de usinagem com a aplicação de MQL,
Taylor et al. (2012) estudaram a eficiência de 9 fluidos empregados em sistemas de MQL.
Toda as características destes fluidos foram testadas e comparadas. De acordo com os
autores, todos os fluidos tiveram uma eficiência muito baixa na remoção do calor da zona
de corte, mas por outro lado todos apresentaram considerável molhabilidade e lubricidade.
Além disso, os autores demonstram que de acordo com os resultados de usinagem, a baixa
viscosidade do fluido, alta concentração de névoa, diâmetro médio das gotículas de névoa
69
e molhabilidade foram os melhores fatores a serem assimilados com a usinabilidade dos
materiais.
Pereira et al. (2016) também estudaram o potencial do sistema de MQL no
rosqueamento de ferros fundidos. De acordo com os autores, a aplicação de óleo com
frequência de 1 pulso por segundo e vazão de 30 ml/h foi suficiente para minimização do
torque, força axial e desgaste das ferramentas. Todos estes estudos demonstram resultados
bem próximos aos encontrados neste trabalho. Isto significa que o sistema de MQL tem
forte tendência a diminuição do atrito grande potencial para ser aplicado em processos de
rosqueamento por usinagem e laminação. Ainda são necessários novos estudos para avaliar
o potencial do sistema de MQL na redução de temperatura e remoção de calor da região de
corte e/ou deformação, pois assim estarão disponíveis informações mais completas e
definido o perfil exato do fluido de corte a ser empregado em processos de rosqueamento.
Na Figura 26 observa-se que considerando o tipo de cabeçote empregado nos testes
experimentais, o sistema autoreversor foi o que apresentou menores valores de torque
ficando na média em 10,51 N, por outro lado o sistema da Sanches apresentou os maiores
valores de torque na faixa de 11,89 N. A variação total foi mínima com 12,86% entre os
extremos. Dessa forma, nota-se que considerando o esforço de torque devido aos sistemas
terem apenas compensação axial, os valores de torque ficaram muito próximos.
Basicamente, a variação de entre o sistema autoreversor e da Emuge foi mínima e pode-se
considerar que ambos estão na mesma faixa de torque. Entretanto, para o sistema da
Sanches o valor foi um pouco maior.
Portanto, pode-se considerar que existe também uma interação muito forte entre o
cabeçote e o sistema de lubrificação empregado como pode ser observado na Figura 29(a).
Basicamente, o torque foi constante entre o sistema autoreversor e o cabeçote da Emuge
quando foi empregado o sistema de MQL, por outro lado quando se mudou para o sistema
da Sanches ocorreu um aumento significativo no esforço de torque. Para o sistema de
lubrificação com emulsão ocorreu exatamente o contrário com um pequeno aumento do
valor torque quando se alterou do sistema autoreversor para o cabeçote Emuge e uma
redução maior do valor do torque quando foi alterado do cabeçote Emuge para o cabeçote
da Sanches. Entretanto, o cabeçote da Sanches manteve o torque no mesmo patamar para
os dois sistemas de lubrirrefrigeração empregados.
Na Figura 29(d) nota-se a interação entre o cabeçote e o tipo de processo. Os valores
de torque para os sistemas autoreversor e da Emuge foram bem baixos com uma pequena
70
diminuição para o processo de rosqueamento por corte. Isto demonstra que estes cabeçotes,
mesmo tendo apenas compensação axial, conseguem manter o esforço de corte em níveis
bem baixos sem comprometer o processo ou a quebra da ferramenta. Por outro lado, o
sistema da Sanches gerou o menor valor do torque no processo de corte mas produziu o
maior valor de torque no processo de laminação de rosca. Isto demonstra que o sistema
empregado pela Sanches está bem adaptado apenas para processos de rosqueamento por
usinagem.
Assim como ocorreu com a força axial o processo de rosqueamento por laminação
apresentou valores de torque mais altos que o processo de usinagem de roscas. A faixa de
valores de torque oscilou entre 11,99 N.m (conformação) a 10,05 N.m (usinagem). Este
fato está relacionado com o esforço radial que a ferramenta tem que fazer no processo de
laminação gerando um efeito aração e possibilitando a deformação do material que se
deforma para os lados e permite a geração do filete de rosca através da movimentação
estrutural do material.
Pereira (2014) comparou os dois processos de rosqueamento, usinagem e laminação
de roscas, em uma liga de alumínio e quatro tipos de aços, sendo dois aços endurecidos.
Em todos os resultados obtidos o torque do processo por laminação foi maior que o torque
por usinagem, sendo esta variação de 50% para o aço SAE 1045, 200% para o aço AISI
4140, 133% para o alumínio 6351, 175% para o aço N2711M e 178% para o aço VP Atlas.
Os valores de torque para a liga de alumínio testada foram de 7 N.m para a laminação de
rosca e 3 N.m para a usinagem de rosca. Uma vez que a liga testada neste experimento tem
uma dureza maior que o alumínio 6351, pode-se considerar que os valores encontrados
estão proporcionalmente semelhantes, pois para este trabalho a faixa de torque ficou entre
12 e 10 N.m.
De acordo com os resultados obtidos nota-se que pelo fato de ambos os machos
apresentarem regiões cônicas o comportamento do torque apresenta um crescimento rápido
na região cônica e depois demonstra uma estabilização. Isto ocorre devido ao fato do
material ser removido gradualmente e ficando apenas o atrito na parte cilíndrica da
ferramenta. No caso do processo de rosqueamento por laminação não existe remoção de
material e todos os lóbulos da ferramenta continuam atuando até o final da fabricação do
furo.
Desta forma, os dados obtidos para os dois processos demonstram torques maiores
no processo de laminação de roscas que, geralmente, ocorre em temperatura abaixo da
71
temperatura de recristalização do metal ou da liga, pois o rosqueamento por laminação
sempre é realizado na temperatura ambiente e ainda com a ajuda de sistemas de
resfriamento. Assim, pode-se afirmar que no processo de laminação de roscas sempre
haverá mudanças das propriedades do material levando ao seu encruamento. Dessa forma,
com o surgimento do encruamento pela interação dos campos de deformação das
discordâncias na micro-estrutura dos materiais, que são constantemente aumentadas pela
deformação do macho laminador sobre a região deformada torna-se necessário um
aumento constante da força tangencial, proporcional a velocidade, para o macho seguir
deformando o material dentro do furo. Portanto, este efeito sempre será maior na região
cônica da ferramenta e menor na região cilíndrica.
Na Figura 26(d) nota-se uma queda do torque com o aumento da velocidade de corte.
O maior valor de torque foi de 11,72 N.m para a velocidade de 15 m/min e 10,34 N.m para
a velocidade de 40 m/min. Este fato tem sido observado em diversas pesquisas da área de
rosqueamento e pode ser explicado pelo fato do aumento da temperatura acontecer
proporcional ao aumento da velocidade. Brandão; Coelho; Malavolta desenvolveram um
estudo no processo de rosqueamento por usinagem em aços endurecidos com o
monitoramento da temperatura através de termopares. Os dados corroboram com os
encontrados neste trabalho, onde o aumento da velocidade registrou menores valores de
torque e maiores valores de temperatura.
Carvalho et al., (2012) também variou a velocidade de laminação na rosca da liga
AM-60 e observou que ocorreu uma queda do torque com o aumento da velocidade. Nota-
se que independente do processo por usinagem ou por laminação o torque tende a cair. A
explicação deste fato está justificada no aumento da temperatura na interface do material
com a ferramenta. O aquecimento desta região provoca uma diminuição da resistência
específica do material que tende a aceitar melhor o cisalhamento com menor esforço de
corte. O mesmo fato ocorre para a força axial que será explicado posteriormente.
Assim, pode-se definir que em usinagem basicamente toda a energia consumida é
convertida em energia térmica. Aproximadamente 1 a 3% desta energia fica retida no
sistema na forma de energia elástica. Para os processos de usinagem, o calor é gerado nas
zonas de cisalhamento e conduzido para a peça, para o cavaco e para a ferramenta. Dessa
forma, o aquecimento da peça durante a usinagem pode, na maioria dos casos, ser
considerado benéfico pois reduz a tensão de cisalhamento do material. A maior parte do
calor gerado é dissipado pelo cavaco, mais ou menos entre 80%, uma pequena
72
porcentagem é dissipada pela peça, entre 8 a 12% e uma outra para o a ferramenta entre 12
a 8%.
De acordo com as respostas encontradas, a força axial foi influenciada isoladamente
pelos parâmetros lubrificação, cabeçote, processo e velocidade. Separadamente, pode-se
analisar que no caso da lubrificação houve um aumento da força axial com a mudança de
emulsão para MQL, isto pode estar relacionado com dois fatores, em primeiro lugar existe
uma dúvida se a eficiência do sistema de MQL foi completa e realmente lubrificou toda a
região de rosqueamento, atuando de fato na redução do atrito durante o processo, isto
devido ao comprimento do furo e pelo fato do sistema de MQL ter sido de aplicação
externa no processo.
Cao e Sutherland (2002) demonstraram que o uso de fluidos de corte em abundância
quando comparado com o rosqueamento seco aumenta a eficiência do processo de forma
significativa. A redução dos esforços de corte principalmente da força axial pode chegar a
150 N. Os autores rosquearam o aço SAE 1018 e desenvolveram um modelamento teórico
para prever os esforços de torque e força axial no processo, os erros encontrados variaram
até 46% dependendo das condições de velocidade e tipo de ferramenta. Nos testes
experimentais pode ser notado a eficiência na redução destes esforços quando foi usado o
fluido de corte.
Em segundo plano deve-se considerar o uso de velocidades de corte e/ou laminação
mais altas que podem ter comprometido o tempo de lubrificação da região rosqueada, pois
com menores tempos para se fabricar uma rosca, tem-se uma menor taxa de deposição de
volume de lubrificante por segundo, principalmente para o MQL que aplica micro gotas de
óleo de corte. Este fato pode também ter comprometido a lubrificação da região quando foi
empregado o sistema de MQL. Por outro lado, como o sistema de emulsão tem 6% de óleo,
mas foi empregado na forma de jorro, ou seja, em abundância, sua eficiência pode ser sido
muito superior no preenchimento da região rosqueada.
Além disso, velocidades mais altas promovem aumento da temperatura no processo
de rosqueamento o que pode comprometer a eficiência tanto de sistemas que usam fluido
em abundância como sistemas que usam sistemas de MQL. Brandão e Coelho (2009)
estudaram o rosqueamento com machos de corte do aço endurecido AISI H13 com
diferentes sistemas de lubrirrefrigeração e mostraram que existe um aumento significativo
da temperatura com o aumento da velocidade de corte. A temperatura foi monitorada com
73
o uso de termopares inseridos nos corpos de prova e obteve-se a geração de calor no
processo e também a taxa de resfriamento dos sistemas empregados.
Dependendo do fluxo de calor presente no processo de rosqueamento, material
rosqueado e parâmetros de processo, a eficiência do processo pode sofrer ou não influência
do sistema de resfriamento. Para velocidades maiores, a taxa de calor aumenta de forma
exponencial e pode comprometer o resultado do processo como qualidade do perfil de
rosca, dimensões da rosca e formação de rebarbas para o caso de furos passantes
(BRANDAO; COELHO; MALAVOLTA, 2010).
Nos estudos do rosqueamento da liga de alumínio A306 com ferramentas
laminadoras e de corte, Ribeiro Filho et al. (2017) estudaram a formação de rebarbas na
saída e na entrada de furos passantes. De acordo com os resultados observou-se que
independente do sistema empregado a variação de rebarbas não foi influenciada pelo
sistema de resfriamento. Os dois sistemas tiveram a mesma eficiência e foram formadas
rebarbas do mesmo tamanho. Isto demonstra que durante o processo de rosqueamento o
mecanismo de corte ou conformação sofre pouca alteração, principalmente considerando a
capacidade de lubrificação da região de trabalho, no caso perfil da ferramenta com o
material usinado ou laminado.
Para a variação da força axial em relação ao tipo de sistema de fixação, nota-se que o
sistema autoreversor promoveu os maiores valores de força de avanço, com valores médios
de 542,94 N. O sistema da Sanches gerou os menores valores de força axial na faixa de
137,24 N. Nota-se que devido o sistema autoreversor ter uma compensação axial menor
que os demais sistemas os esforços de fabricação foram maiores, pois o mesmo trabalha se
assemelhando a um sistema rígido. Estes dados são similares aos encontrados por Carvalho
et al., (2012) que rosquearam ao liga de Magnésio AM60 e encontraram elevados valores
de força axial com o rosqueamento montado em um sistema rígido. Apesar do material ser
extremanente dúctil os valores de força axial foram muito altos na faixa de 900 a 1100 N
para uma faixa de velocidades de laminação entre 60 e 100 m/min. O processo estudado
também foi a laminação de rosca e de acordo com os resultados obtidos a força axial tende
a aumentar com a diminuição do diâmetro que possibilitou um melhor preenchimento do
perfil de rosca e também com o aumento da velocidade de laminação.
O sistema da Sanches possui compensação axial nos dois sentidos, ou seja, durante a
fabricação da rosca e no retorno da ferramenta. Este tipo de sistema oscila mais que os
demais permitindo um maior amortecimento durante o processo e gerando forças
74
resultantes menores. Devido ao movimento helicoidal da ferramemte dentro do furo, existe
um vetor no sentido axial, ou seja exatamente na linda de centro do furo, e um vetor no
sentido tangencial da rosca, assim o resultado da força axial é uma componente formado
por este dois vetores e que, no caso da compensação nos dois sentidos gera uma
decomposição de forças que gera uma redução de forças na resultante final. O valor médio
para a força axial com o cabeçote da empresa Sanches foi de 136,24 N.
Considerando a variação da força axial em função do tipo de processo de
rosqueamento nota-se que o processo de laminação de rosca produziu um valor de força
axial na faixa de 412 N e para o processo de usinagem de rosca este valor foi de 252,24 N.
Nota-se que de acordo com a Figura 27 o processo de rosqueamento por laminação foi
maior que o processo de rosqueamento por usinagem para em todas as faixas de
velocidades empregadas. Este fato pode ser explicado com a diferença física entre os dois
processos.
No processo de laminação de roscas a construção do filete de rosca basea-se na
deformação do material gerando sua movimentação dentro do furo de uma região para
outra. Normalmente, esta movimentação ocorre da parte inferior do furo, base da rosca,
para o exterior do furo, crista da rosca. Esta movimentação, ocorre exclusivamente devido
ao formato cônico do macho laminador na sua primeira seção que promove a geração das
cristas de rosca e em seguida a parte cilíndrica calibra o diâmetro da rosca. Portanto, a
energia necessária para promover este rearranjo estrutural é muito mais alta que o processo
de usinagem de rosca.
Em contrapartida o processo de usinagem de roscas ocorre um remoção de material
que fica acumulada dentro do furo por um tempo até a retirada total da ferramenta. O
processo de rosqueamento por usiangem depende apenas da resistência específica de corte
do material que corresponde ao efeito contrário ao material ser cisalhado pela ferramenta.
Esta resistência em função da secção de corte gera os esforços de corte. Dessa forma,
assim como no macho laminador, o macho de corte tem uma região cônica que promove a
remoção de material de forma gradual e progressiva sem comprometer o processo. O
esforço necessário para esta remoção é muito menor que o esforço de laminação que
necessita de mais energia para promover modificações microestruturais no material.
Os esforços de rosqueamento por laminação sempre são maiores que os esforços de
corte independente da dimensão do processo. Ribeiro Filho et al. (2016) estudaram o
processo de micro rosqueamento na liga de titânio Ti-6Al-4V com machos de corte e
75
laminadores. Este trabalho foram fabricadas roscas M3 com passo de 0,5 milímetros e os
resultados demonstraram que os esforços para a fabricação das roscas laminadas foram
muito pequenos mas proporcionalmente superiores aos esforços para a fabricação das
roscas usinadas.
Nos estudos de Pereira (2014) que comparou o rosqueamento de diferentes materiais
e monitorou a força de avanço, pode-se concluir que para o processo de laminação de rosca
na liga de alumínio 6351, foram encontrados valores de força de avanço de 600 N e para o
processo de rosqueamento com machos de corte foram encontrados valores médios da
ordem de 250 N. Este valores demonstram que, assim como aconteceu nos resultados deste
trabalho, o processo de rosqueamento por laminação sempre irá produzir forças de avanço
na laminação superiores as forças de avanço no rosqueamento por usinagem.
Considerando a análise da influencia da velocidade de corte e/ou laminação na
variação da força axaial nota-se que ocorreu um redução da força com a elevação da
velocidade. Isto pode ser explicado com base no aumento da temperatura dos processos de
usinagem. Segundo Shaw (2004) nos processos de usinagem ocorre um aumento da
temperatura proporcional ao aumento da velocidade. Este fato tem sido comprovado por
diversos autores como Trent (2000) que afirmam, por exemplo, que a quantidade e a taxa
de deformação são elevadas a medida que se aumenta a velocidade de corte. Assim, altas
taxas de deformação no mateiral ocorrem sem promover o seu encruamento devido ao
amolecimento adiabático do material causado pelo aumento da temperatura.
Portanto, segundo Trent (2000) a temperatura na zona de fluxo de cavaco e na região
de contato da ferramenta são dependentes da quantidade de trabalho necessária para
realizar o cisalhamento do material e da quantidade de material que passa pela zona de
fluxo. Brandao; Coelho; Lauro (2011) estudaram o fluxo de calor no processo de
rosqueamento de aços endurecidos. Os autores monitoraram a temperatura com termopares
inseridos nos corpos de prova e os resultados obtidos pelos autores demonstram que a
temperatura no processo de rosqueamento aumenta proporcionalmente com o aumento da
velocidade de corte.
A influência da temperatura no processo de laminação de rosca também foi
proporcional com o aumento da velocidade e inversamente proporcional para a força de
laminação. Os estudos de rosqueamento promovidos por Carvalho et al., (2011) que
estudaram a laminação de roscas internas na liga de magnésio AM60, Maciel et al., (2015)
que estudaram a laminação de roscas externas na liga de titânio Ti-6Al-4V, Ribeiro Filho
76
et al. (2016) que também estudaram o processo de micro rosqueamento intreno na liga de
titânio Ti-6Al-4V demosntram o mesmo fato, ou seja sempre ocorre uma diminuição da
força axial com o aumento da velocidade de laminação.
Pode-se considerar que normalmente no rosqueamento por laminação existe uma
encruamento do material que é um fenômeno que modifica a estrutura cristalina dos metais
mais ducteis. Assim, ocorre uma deformação plástica que é realizada abaixo da
temperatura de recristalização destes materiais e poderá, ou não, causar o endurecimento
do material e consequentemente o aumento de resistência do metal. Entretanto, com o
aumento da velocidade de laminação ocorre um aumento da taxa de fricção entre os
materias no tempo e consequentemente pode ocorrer um redução da resistência do material
que fica mais suscetível as deformações.
Os resultados encontrados neste trabalho sobre a variação do tempo demonstram que,
isoladamente, e como efeito principal o tipo de cabeçote e a velocidade de corte e/ou de
laminação influem no tempo de fabricação da rosca. A relação do tempo com velocidade é
direta, ou seja, esperava-se que com o aumento da velocidade de corte e/ou laminação o
tempo realmente diminuísse, uma vez que apenas a velocidade foi variada e que o passo da
rosca foi mantido constante. Assim, a velocidade de avanço que, fisicamente é produto da
rotação pelo avanço, e no caso este é o passo da rosca, tem um aumento proporcional ao da
velocidade e corte e/ou laminação percorrendo o comprimento do perfil roscado mais
rapidamente.
Considerando que todos os comprimentos dos furos roscados foram mantidos
constante e que as distâncias de posicionamento do macho antes da realização do processo
de rosqueamento e do ponto de parada após o processo de rosqueamento também foram
fixadas durante os experimentos nota-se que o mesmo espaço para fabricação da rosca foi
mantido constante, logo o tempo foi proporcionalmente menor para maiores velocidades.
Conforme a Figura 31(b) nota-se que dos três cabeçotes empregados os sistema
autoreversor foi o que mais demorou a fabricar as roscas, sendo este tempo de 2,99
segundos para a velocidade mais baixa de 15 m/min enquanto o cabeçote da Emuge para a
mesma velocidade chegou a 1,21 segundos. Isto pode ser explicado devido ao conjunto de
peças presentes no sistema de embreagem do cabeçote autoreversor que necessita de uma
parada, para proporcionar o desengate das engrenagens que estão em um sentido de giro,
para que o mesmo possa inverter a rotação e proporcionar o retorno da ferramenta. Nota-se
77
que este mecanismo provoca uma perda de tempo significativa quando comparado com os
demais cabeçotes empregados.
O cabeçote da Emuge gerou tempos de fabricação de roscas de 1,12 a 0,609
segundos, sendo este tempo mínimo bem próximo para os demais sistemas. O sistema de
esferas e buchas de nylon do cabeçote Emuge se mostrou mais eficiente, pois conforme
comentado anteriormente, a diferença básica deste tipo de cabeçote é que a compensação
axial atua somente quando ocorre uma pré-tensão ao exceder a força da guia que é
construtivamente pré-fixada por atrito de rolamento de esferas de transmissão do par nas
suas pistas de rolamento. Isto demonstra que este efeito contribui significativamente para a
redução do atrito e consequentemente para a perda de tempo durante o processo tornando-o
mais eficiente que os demais e que nos casos testados provavelmente não ocorreram
tensões que levaram o cabeçote a atuar e consequentemente perder tempo durante a
fabricação das roscas.
Além disso, como o sistema da Emuge tem compensação somente durante a
fabricação das roscas, ou seja, durante a carga maior do processo, ao retornar o mesmo não
apresenta flutuações de compensação que diminuem a perda de tempo total durante o
processo de fabricação de roscas. O sistema da Sanches também tem seu sistema de
compensação axial, porém, como este sistema flutua durante a fabricação da rosca e no
retorno da ferramenta os resultados demonstram que este tempo foi significativo para este
tipo de cabeçote apresentar um tempo maior de fabricação total que o sistema da Emuge.
Finalmente, deve-se considerar que o cabeçote da Emuge trabalha melhor com os
dois tipos de sistema de lubrificação testados, emulsão e MQL, pois de acordo com a
Figura 31(a) o tempo mínimo foi de 0,866 segundos. Isto demonstra que, mesmo no uso da
emulsão empregada que tinha 6% de óleo e no uso do MQL com 30 ml/hora, ou seja,
baixíssima concentração de óleo responsável pela minimização do atrito durante o
processo, o sistema da Emuge foi o mais eficiente na fabricação de roscas em tempos
menores.
78
4 CONCLUSÕES
De acordo com os dados obtidos nos testes experimentais, as seguintes conclusões
podem ser tiradas na comparação dos processos de rosqueamento por usinagem e
laminação usando sistema de MQL e emulsão, empregando-se diferentes cabeçotes
rosqueadores com variação da velocidade de corte e/ou laminação
Considerando o esforço de torque, o melhor conjunto de parâmetros para produzir
os menores valores de torque é utilizando o sistema de resfriamento com MQL e o
cabeçote autoreversor, o processo de usinagem de roscas e empregando os valores de
velocidades de corte e/ou deformação mais altas;
Considerando o esforço axial ou força de avanço, o melhor conjunto de parâmetros
para minimizar as forças de avanço é utilizando a emulsão, o cabeçote da empresa
Sanches, o processo de usinagem de roscas e com os maiores valores de velocidade de
corte e/ou laminação;
Considerando o tempo para fabricação de roscas, o melhor conjunto de parâmetros
é utilizando o sistema da Emuge com altos valores de velocidade de corte e/ou laminação;
Separando-se os processos de rosqueamento por usinagem e laminação, pois cada
um dos processos tem características especificas e muito peculiares, pode-se notar que o
aumento de velocidade é unânime, pois pode-se produzir roscas em menor tempo, com
menor torque e força de avanço;
Por outro lado, existe uma dupla opção, para ambos os processos, considerando os
principais esforços de rosqueamento:
Para fabricar os dois tipos de roscas, usinada ou laminada, a melhor estratégia para
evitar a quebra da ferramenta por excesso de torque é utilizando o sistema de resfriamento
com MQL e o cabeçote autoreversor;
Para evitar a deformação do filete nos dois tipos de roscas, usinada ou laminada,
devido ao aumento da força de avanço que pode provocar uma falha de sincronismo entre
os movimentos de avanço rotação da ferramenta, a melhor opção é com o uso do sistema
de emulsão e o cabeçote de empresa Sanches;
Dessa forma, para definir uma única estratégia de rosqueamento e não comprometer
simultaneamente os esforços de fabricação nos dois processos a melhor opção é o uso do
MQL devido os aspectos ambientais que agridem menos o meio ambiente e o emprego do
cabeçote de empresa Emuge, pois o mesmo ficou mais próximo da linha media para os
dois esforços. Além disso, este também foi o melhor cabeçote para a redução do tempo de
fabricação das roscas.
79
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