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Uma contribuição ao Processo de Furação sem Fluido de ... · PDF file 1 Introdução 01 2 Fluidos de corte 04 2.1 Generalidades 04 2.2 Classificação dos fluidos de corte 07 2.2.1

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  • UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

    COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

    Uma contribuição ao Processo de Furação sem Fluido de Corte com

    Broca de Metal Duro Revestida com TiAlN

    Autor: Gilberto Walter Arenas Miranda

    Orientador: Nivaldo Lemes Coppini

    07/2003

  • UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

    COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO

    Uma contribuição ao Processo de Furação sem Fluido de Corte com

    Broca de Metal Duro Revestida com TiAlN Autor: Gilberto Walter Arenas Miranda

    Orientador: Nivaldo Lemes Coppini

    Curso: Engenharia Mecânica

    Área de Concentração: Materiais e Processos de Fabricação

    Tese de doutorado apresentada à comissão de Pós Graduação da Faculdade de Engenharia

    Mecânica, como requisito para obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica

    Campinas, 2003

  • FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP

    Ar33u

    Arenas Miranda, Gilberto Walter Uma contribuição ao processo de furação sem fluido de corte com broca de metal duro revestida com TiAlN / Gilberto Walter Arenas Miranda. --Campinas, SP: [s.n.], 2003. Orientador: Nivaldo Lemos Coppini. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica. 1. Usinagem. 2. Aço. 3. Otimização. I. Coppini, Nivaldo Lemos. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.

  • Dedicatória

    Dedico este trabalho:

    Aos meus pais Juan e Segunda (in memoriam)

    A Ana Terezinha, minha esposa

    A Ana Lydia, Ana Regina e Gilberto Walter, meus filhos

    A Anna Julia, minha neta

  • Agradecimentos

    A Deus, por ter permitido a realização deste trabalho.

    À minha família, pelo carinho, apoio, compreensão, força e incentivo constantes.

    Ao Professor Dr. Nivaldo Lemos Coppini pela orientação e, acima de tudo pela amizade,

    ajuda, apoio, simplicidade, incentivo e colaboração recebida.

    Aos docentes, funcionários e pesquisadores do Departamento de Engenharia de Fabricação

    da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas (DEF/FEM/

    UNICAMP), que contribuíram para a realização deste trabalho, em especial, ao Prof. Dr.

    Anselmo Eduardo Diniz, o Prof. Dr. Olívio Novaski, o Prof. Dr. Antônio Batocchio, a Profa. Dra

    Maria Helena Robert, a Profa. Dra Roseana da Exaltação Trevisan, o Prof. Dr. Durval Uchôas

    Braga, o Prof. Dr. João Roberto Ferreira, o Prof. MSc. Niederauer Mastelari e ao técnico

    Aristides, pelo auxilio na realização dos ensaios experimentais.

    À Pró-reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação da Universidade de Taubaté pelo apoio

    recebido, bem como a todos os colegas do Departamento de Engenharia Mecânica pelo incentivo

    e amizade recebidos especialmente ao Prof. Adalberto Vieira de Mattos.

    Ao órgão financiador FINEP pela aquisição do material necessário para os ensaios e a

    TITEX, na pessoa do engenheiro Marcos Soto Ice (Gerente Regional Divisão) pelo fornecimento

    das brocas utilizadas nos ensaios.

  • “Se a sabedoria penetrar teu coração e a ciência deleitar a tua alma, a reflexão te

    guardará e a prudência amparar-te-á” Provérbios 2:10, 11

  • i

    Índice

    1 Introdução 01

    2 Fluidos de corte 04

    2.1 Generalidades 04

    2.2 Classificação dos fluidos de corte 07

    2.2.1 Ar 08

    2.2.2 Tipos aquosos 08

    2.2.2.1 Água 08

    2.2.2.2 Emulsões 09

    2.2.2.3 Soluções químicas 10

    2.2.3 Óleos 11

    2.2.3.1 Óleos minerais puros 11

    2.2.3.2 Óleos graxos 12

    2.2.3.3 Óleos compostos 12

    2.2.3.4 Óleos de extrema pressão 12

    2.3 Aspectos nocivos dos fluidos de corte 14

    2.4 Consumo e descarte de fluidos de Corte 20

    2.4.1 Métodos químicos 22

    2.4.2 Métodos físicos 22

    2.4.3 Incineração 23

    2.4.4 Evapo-incineração 23

  • ii

    3 Usinagem sem fluido de corte 24

    3.1 Considerações 24

    3.2 Fundamentos tecnológicos 32

    3.3 Fatores que influenciam a usinagem sem fluido de corte 33

    3.4 A usinagem sem fluido de corte e com ferramenta de geometria definida 35

    3.5 Alternativas tecnológicas para viabilizar a redução/eliminação de fluido de corte 35

    3.6 Revestimentos 37

    3.6.1 Considerações 37

    3.6.2 Novos potenciais de exploração 40

    3.6.3 Importância do tamanho dos grãos 40

    3.6.4 Ligantes aperfeiçoados 41

    3.6.5 Os gradientes de concentração 42

    3.6.6 Mecanismos e formas de desgaste das ferramentas 43

    3.6.7 Estruturas do revestimento 50

    3.6.8 Escolha dos materiais de revestimento 50

    3.6.9 Processos de revestimento 51

    3.6.10 Revestimentos com nitretos 53

    3.6.11 Estruturas de revestimento mono e multicamada 54

    3.7 Desenvolvimento de ferramentas para furação sem fluido de corte 56

    3.8 Desempenho de corte das brocas de metal duro revestidas de (Ti,Al)N 57

    3.9 Usinagem sem fluido de corte de peças de ferro fundido 59

    3.10 Usinagem de aço sem o uso de fluido de corte 59

    3.11 Usinagem sem fluido de corte de ligas de alumínio 63

    4 Processo de Furação 70

    4.1 Generalidades 70

    4.2 Qualidade da peça usinada no processo de furacão 70

    4.3 Características geométricas das brocas helicoidais 74

    4.4 Perfis transversais das brocas helicoidais 82

    4.4.1 Perfil do tipo I 82

  • iii

    4.4.2 Perfil do tipo II 84

    4.4.3 Perfil do tipo III 84

    4.5 Esforços e desgastes na furacão com brocas helicoidais 85

    4.5.1 Expressões empíricas para determinação dos esforços 86

    5 Procedimento Experimental 89

    5.1 Material 89

    5.2 Ferramenta 91

    5.3 Equipamentos e Instrumentos 93

    5.3.1 Máquina –Ferramenta 93

    5.3.2 Lubrificantes 94

    5.3.3 Dinamômetro 94

    5.3.4 Rugosímetro 96

    5.3.5 Medição dos diâmetros 97

    5.3.6 Equipamento para uso de MQL 98

    5.3.7 Microscópio 99

    5.3.8 Potência de corte 100

    5.4 Metodologia de otimização das condições de usinagem 101

    5.4.1 Curva de vida da ferramenta 101

    5.4.2 Tempos de usinagem 103

    5.4.3 Custo de usinagem por peça (furo) 104

    5.4.4 Metodologia 104

    5.4.4.1 Introdução 104

    5.4.4.2 Trabalhos prévios de otimização 106

    6 Resultados e Discussões 110

    6.1 Ensaios preliminares sem fluido de corte 110

    6.2 Tempo de troca da ferramenta 112

    6.3 Determinação da velocidade de referência 112

    6.4 Ensaios realizados na vmxp 113

    6.4.1 Ensaios complementares 114

  • iv

    6.4.2 Medidas da força de avanço 115

    6.4.3 Momento torçor 117

    6.4.4 Potência de corte 118

    6.4.5 Desgaste de flanco 119

    6.4.6 Rugosidade média (Ra) 123

    6.4.7 Diâmetros dos furos 124

    6.4.8 Integridade superficial dos furos 129

    6.5 Análises de produtividade 134

    7 Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros 137

    7.1 Conclusões 137

    7.2 Sugestões para Trabalhos Futuros 139

    Referências Bibliográficas 140

    Anexos 157

  • v

    Resumo Arenas Miranda, Gilberto Walter, Uma Contribuição ao Processo de Furação sem Fluido de Corte com

    Broca de Metal Duro Revestida com TiAlN. Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica,

    Universidade Estadual de Campinas, 2003. 175 p. Tese (Doutorado)

    Na atualidade, a usinagem sem fluido de corte constitui um dos tópicos mais debatidos da

    indústria metal-mecânica. O elevado custo da refrigeração/lubrificação, problemas ecológicos ligados

    ao ambiente de trabalho e eliminação de resíduos, do