UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS - UEA

ANDRÉ JOAQUIM MACHADO TORRES

ANÁLISE DO ACABAMENTO SUPERFICIAL DE METAIS

MANAUS

2014

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS – UEA

ANDRÉ JOAQUIM MACHADO TORRES

ANÁLISE DO ACABAMENTO SUPERFICIAL DE METAIS

MANAUS

2014

Projeto de P&D do curso de

Engenharia Mecânica requisitado

como atividade exercida pelo

aluno vinculada ao programa

Bolsa Graduação Samsung.

Orientador: Aristides Rivera

OBJETIVO

Analisar a influência do acabamento superficial na durabilidade estática de peças

metálicas sujeitas à fadiga e estudar a relação entre os processos de usinagem

convencionais e o perfil de acabamento que pode ser obtido a fins de aprimorar os

resultados que esses processos podem fornecer para, assim, melhorar o desempenho da

peça metálica.

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 5

1. ACABAMENTO SUPERFICIAL ..................................................................................... 6

1.1. CONCEITOS DO PERFIL DE RUGOSIDADE ............................................................... 7

1.2. PARÂMETROS DE RUGOSIDADE ................................................................................. 8

1.3. PRINCÍPIOS BÁSICOS SOBRE RUGOSÍMETRO ....................................................... 9

1.4. PARÂMETROS DE USINAGEM .................................................................................... 10

2. ACABAMENTO SUPERFICIAL E USINAGEM ......................................................... 11

3. ANÁLISE DA RUGOSIDADE MÉDIA POR PARÂMETROS DE USINAGEM ..... 12

CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 15

BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................... 16

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INTRODUÇÃO

Um projeto mecânico é basicamente constituído por um conjunto de normas a

serem obedecidas durante a fabricação para obter os resultados adequados à finalidade

da peça-produto. Entre essas normas e esses processos, destacam-se o acabamento

superficial e os processos de usinagem, que se interligam por serem conceitos

relacionados ao resultado da peça.

Em geral, o acabamento superficial é avaliado através da rugosidade presente.

Rugosidade é um conjunto de irregularidades finas microscópicas que, geralmente,

decorrem do processo de acabamento. Todas as peças existentes, por mais perfeitas que

sejam suas superfícies, apresentam rugosidade e esta pode ser benéfica ou não

dependendo da aplicação que a peça esta destinada a desempenhar.

Quanto à usinagem de acabamento, existem vários processos com esta mesma

finalidade, como as operações seguintes ao desbaste de um produto recém-produzido ou

as operações de recuperação de um produto onde o próprio tempo de atividade já o

tornou gasto demais. Tais processos podem ser caros ou baratos dependendo da

exigência quanto à precisão do acabamento.

Quando um projeto de uma peça qualquer requer altas precisões na rugosidade

superficial, há uma crescente preocupação com a qualidade e a durabilidade dos

resultados que os processos de produção proporcionam. A análise da rugosidade final

de uma peça recém-produzida é, portanto, a melhor forma de avaliar a qualidade do

processo de usinagem assim como também é uma das principais características que

permite concluir se a peça apresentará alta ou baixa vida-útil.

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1. ACABAMENTO SUPERFICIAL

O acabamento superficial é, na verdade, um critério de avaliação metrológico

constituído por quatro tipos de irregularidades que o definem:

Rugosidade – irregularidades finas e microscópicas decorridas do

processo de fabricação;

Ondulações – irregularidades cujo espaçamento é relativamente

grande, na qual a própria rugosidade está contida;

Marcas de avanço – são as finas linhas que definem a direção da

usinagem que se realizou;

Falhas – são erros decorrentes de falhas ocasionais nos processos

de fabricação.

Pode-se realizar a análise superficial de uma peça de modo macro ou

microscópico. A análise macroscópica tem foco nas ondulações presentes que se

sobressaem do intervalo de erros estabelecidos no projeto, em contrapartida, a análise

microscópica leva em consideração a rugosidade presente.

Fig.1 – Representação do perfil de uma peça qualquer para distinguir ondulação e rugosidade

Como foi dito, a importância da análise superficial microscópica aumenta à

medida que crescem os requisitos de projeto da peça, esta relevância é justificada pelo

fato do acabamento superficial ser uma alternativa viável para evitar certos fatores que

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afetariam a durabilidade da peça tais como a corrosão, fadiga, melhor escoamento de

fluidos, melhor transferência de calor entre outros.

Podemos tratar o movimento de giração de um eixo metálico qualquer sobre um

mancal metálico fixo como um exemplo da presença desses fatores, para uma menor

presença de atrito no contato entre as superfícies, o acabamento superficial deve ser

ótimo caso contrário o atrito presente provocaria corrosão da superfície em contato do

mancal, o que levaria ao aumento nas folgas e consequentemente prejudicaria a

eficiência do conjunto.

1.1. CONCEITOS DO PERFIL DE RUGOSIDADE

Fig.2 - Representação de um perfil de rugosidade

Percurso inicial (Lv) – Pequeno comprimento inicial cuja

finalidade é calibrar a superfície amortecendo as oscilações mecânicas e elétricas

decorrentes do toque da agulha apalpadora do rugosímetro. É desprezado na

análise da rugosidade;

Percurso de medição (Lm) – Comprimento útil da medição do

perfil de rugosidade que contém o comprimento de amostragem que é analisado

na medição;

Percurso final (Ln) – Pequeno comprimento final destinado a

amortecer oscilações finais do processo de medição. Também não é levado em

consideração na análise.

Percurso de apalpamento (Lt) – É o comprimento total que

entra em contato com o rugosímetro, trata-se da soma do percurso de medição

com os percursos final e inicial;

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Comprimento de amostragem (Le) – É o comprimento de

análise da rugosidade, igual a 1/5 do percurso de medição. Deve conter todos os

elementos característicos possíveis que possam definir o perfil de rugosidade;

Linha média (---) - É uma linha traçada no perfil de rugosidade

de modo a igualar a área à soma das áreas superiores com as áreas inferiores.

1.2. PARÂMETROS DE RUGOSIDADE

Existem diversos parâmetros para se avaliar a rugosidade superficial e suas

aplicações dependem da característica funcional da peça, por exemplo, peças de

vedação terão preferências pelos parâmetros mais precisos enquanto em peças de

superfícies porosas é recomendado o uso de um parâmetro mais geral.

Os dois parâmetros mais utilizados na avaliação de acabamentos são a

rugosidade média (Ra) e a rugosidade máxima (Rm):

Rugosidade média (Ra) – é uma medida geral da rugosidade,

(Não dá indicação direta da mesma) define-se um comprimento de amostragem

referencial através de uma linha média e em seguida calcula-se a média

aritmética dos afastamentos verticais máximos e mínimos em relação a ela.

Fig. 3 – Representação da rugosidade média como sendo a altura de um retângulo de

comprimento C.

Rugosidade máxima (Rm) – é o maior valor identificado entre

diversos valores de rugosidades para um determinado comprimento de

amostragem.

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Fig. 4 – Indicação da rugosidade máxima (Rmáx) como sendo a que apresenta maior

altura de pico, o parâmetro Ry indica a distância entre o maior pico e o menor vale.

A unidade de medida de rugosidade é da ordem de mícron (μm) por se tratar de

um valor microscópico.

1.3. PRINCÍPIOS BÁSICOS SOBRE RUGOSÍMETRO

Fig. 5 – Avaliação da rugosidade de um anel metálico por um rugosímetro digital.

O rugosímetro é um aparelho eletrônico de extrema importância em laboratórios

de medição e linhas de montagem. Sua finalidade é, obviamente, medir a rugosidade de

superfícies acabadas. Suas partes principais são o: apalpador, unidade de acionamento,

amplificador e registrador.

Cada parte exerce uma função, a unidade de acionamento é responsável por

movimentar a agulha sobre a superfície devendo manter a velocidade constante para

uma maior precisão, o apalpador leva os sinais captados pela agulha apalpadora até o

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amplificador que amplia esses sinais e calcula em função do parâmetro escolhido. E por

fim, o registrador fornece o resultado da medição imprimindo-o em papel.

1.4. PARÂMETROS DE USINAGEM

É importante conceituar alguns parâmetros básicos de usinagem para em seguida

utilizá-los em outro método teórico de se obter a rugosidade. Entre os parâmetros que

definem a geometria acabada de uma peça estão:

Velocidade de corte – Velocidade periférica da ferramenta, que retira material

de forma longitudinal à peça. Na prática, seus valores são tabelados pelos

fabricantes e dependem basicamente de três fatores: material da peça, material

da ferramenta e taxa de avanço.

Avanço – Deslocamento paralelo que a ferramenta faz em relação à peça por

rotação, sua unidade é milímetros por rotação (mm/rot).

Rotação – Movimento giratório que a peça (Em torneamento) ou a ferramenta

(Demais processos) faz em torno do seu eixo. Há uma relação entre a rotação,

velocidade de corte e diâmetro inicial da peça definida da seguinte forma:

𝑉𝑐 = 𝜋. 𝑑. 𝑛

1000 𝑚/ min (𝐸𝑞. 1)

Velocidade de avanço – É a velocidade paralela à peça referente ao avanço da

ferramenta, ou seja, o deslocamento paralelo por unidade de tempo. É definida

pelo produto entre a rotação e o avanço e medida em milímetros por minuto

(mm/min):

𝑉𝑓 = 𝑛. 𝑓 (𝐸𝑞. 2)

Tempo de usinagem – Trata-se da duração, em minutos, do processo, podendo

ser definido como o quociente entre o comprimento útil da peça e a velocidade

de avanço:

𝑡 = 𝑙𝑖

𝑉𝑓 (𝐸𝑞. 3)

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2. ACABAMENTO SUPERFICIAL E USINAGEM

Outra forma de se obter e inspecionar a rugosidade, como já dito, é através dos

parâmetros da usinagem pelo qual a superfície passou. “Inspecionar” porque os valores

obtidos através dos cálculos são teóricos, sendo então uma boa alternativa para analisar

a margem de erros que a máquina proporciona à superfície na prática. Apesar de um

processo de usinagem qualquer ter diversos parâmetros, os que afetam diretamente no

valor da rugosidade são basicamente dois: O raio de ponta (r) e o avanço da ferramenta

(f). Para entendermos a contribuição geométrica fornecida pelo raio de ponta da

ferramenta basta analisarmos a figura a seguir:

Fig. 6 – Representação do contato entre peça e ferramenta e o perfil de rugosidade obtido.

Analisando a figura, concluímos que quanto maior for o raio de ferramenta,

maior será o impacto nos valores de rugosidade. Se o valor do avanço for também alto,

maior será a probabilidade de termos maiores oscilações dos valores de picos e vales d

perfil de acabamento.

Em operações de torneamento, por exemplo, podemos obter a rugosidade

máxima e a rugosidade média, em teoria, através das seguintes relações:

𝑅𝑚á𝑥 = 𝑓2

8𝑟 (𝑒𝑞. 4)

𝑅𝑎 =𝑓2. 50

𝑟 (𝑒𝑞. 5)

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Na prática, alguns parâmetros são padronizados de acordo com o material a

usinar. A tabela a seguir mostra os padrões de velocidade de corte de um torneamento

para operações de desbaste e acabamento, note que as velocidades de corte para

acabamento são cerca de 20% a mais do valor das velocidades para desbaste.

Tabela 1 – Velocidades de corte para operações de desbaste e acabamento de acordo com o

material a ser usinado.

3. ANÁLISE DA RUGOSIDADE MÉDIA POR PARÂMETROS DE

USINAGEM

Para fazer uma análise dos valores de rugosidade teórica que podemos obter

através dos parâmetros de usinagem, suponhamos uma peça cilíndrica bruta feita de aço

1020 com diâmetro inicial igual a 40mm e comprimento igual a 300mm que será

usinada por torneamento e que o acabamento superficial esperado tenha rugosidade

média igual a 1.6 mícron. Dispomos de três ferramentas de aço rápido com raios de

ponta iguais a 0.2, 0.8 e 2.4 milímetros.

Dados de entrada:

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Peça de aço 1020;

Diâmetro inicial: 𝑑𝑖 = 40 𝑚𝑚

Comprimento inicial: 𝑙1 = 300 𝑚𝑚

A tabela a seguir representa todas as formas de obtermos o acabamento

superficial esperando relacionando todos os seus parâmetros. Os valores de avanço

foram obtidos através da eq. 2, os valores de velocidade de avanço e velocidade de corte

foram obtidos através das relações de usinagem e os valores de rotação foram baseados

nas rotações disponíveis por um torno mecânico do modelo Nardinni.

Raio de

Ponta (mm)

0,2 0,8 2,4

Vel. de

Corte

(m/min)

Avanço

(mm/rot)

0,08 0,16 0,277

Rotação

(rpm)

Vel. de

Avanço

(mm/min)

Tempo de

Usinagem

(min)

Vel. de

Avanço

(mm/min)

Tempo de

Usinagem

(min)

Vel. de

Avanço

(mm/min)

Tempo de

Usinagem

(min)

40 3,2 31,25 6,4 15,62 11,08 9,02 5,02

63 5,04 19,84 10,08 9,25 14,45 6.92 7,91

100 8,0 12,5 16,0 6,25 27,7 3,61 12,56

160 12,8 7,81 25,6 3,90 44,32 2,25 20,10

250 20,0 5,00 40,0 2,5 69,25 1,44 31,41

400 32,0 31,25 64,0 1,56 110,8 0,90 50,26

630 50,4 1,98 100,8 0,99 174,51 0,57 79,16

1000 80,0 1,25 160,0 0,625 277,00 0,36 125,66

1600 128,0 0,78 256,0 0,39 442,20 0,22 201,06

Tabela 2 – Todos os parâmetros de usinagem disponíveis para obtenção da rugosidade média Ra = 1.6 μm.

Sabendo que o material da peça é aço 1020 e que a ferramenta é feita de aço

rápido, podemos consultar a Tabela 1 (Tabela de velocidades de corte para o torno) e

assim concluímos que a velocidade de corte recomendada para operação é em torno de

30 m/min. Da tabela 2, o valor que mais se aproxima do recomendado está na linha

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onde a rotação é 250 RPM, portanto, deve-se trabalhar com os parâmetros contidos

nessa linha.

Outro modo de observar a tabela 2 é que, para mantermos a rugosidade

constante ao variar qualquer um dos parâmetros, devemos ter noção das relações entre

eles, como por exemplo, o gráfico a seguir que nos mostra a relação direta e

proporcional entre a velocidade de avanço e a rotação da peça para as três ferramentas

utilizadas:

Gráfico 1 – Relação entre rotação e velocidade de avanço para as três ferramentas

0

50

100

150

200

250

300

Rotação até 100RPM Entre 100 e 400 RPM De 400 até 1600 RPM

Raio a = 0,2

Raio b=0,8

Raio c=2,4

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CONCLUSÃO

Em teoria, por um processo de usinagem de acabamento qualquer, temos

diversas maneiras de se obter determinada rugosidade, o que seria bastante eficaz se não

levássemos em consideração fatores decorrentes da prática como vibrações da máquina,

desalinhamentos de fixação da peça na máquina, material da peça, material da

ferramenta dentre muitos outros. Logo, para se chegar até um acabamento superficial

ideal ao processo, devemos antes analisar a aplicabilidade da peça como, por exemplo, a

resistência à fadiga de um virabrequim em dadas condições de trabalho, verificar se sua

aplicação requer um bom acabamento para ser eficientemente adequado e em seguida,

selecionar os parâmetros ideais para o acabamento do mesmo.

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BIBLIOGRAFIA

DINIZ,A; MARCONDES,F. Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 1º Edição.

São Paulo: MM Editora;

NETO,J,C. Metrologia e Controle Dimensional. 1°Edição. Rio de Janeiro:

Elsevier Editora. 2012;

ROSA, E. Análise de Resistência Mecânica de Peças e Componentes Estruturais.

UFSC. 2002.