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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Curso de Graduação em Engenharia Mecânica
TRABALHO DE GRADUAÇÃO
Influência dos parâ...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Curso de Graduação em Engenharia Mecânica
INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE CORTE SOBRE ...
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RESUMO
A variação cíclica da temperatura a cada volta da ferramenta torna-se um agravante na
operação de fresamento, uma...
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LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 – Resistência ao impacto do aço AISI D2 após austenitização a 1030° C, 1060° C
e1120° C, seg...
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Figura 4.4 – (a) Montagem da fresa no centro de usinagem e da câmera infravermelha. (b)
Ponto de medição da temperatura,...
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Figura 5.11 – Efeitos da velocidade de corte nas características físicas do cavaco. (a) vc = 60
mm/min, f = 0,1 mm/rot, ...
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LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Classificação dos aços ferramenta --------------------------------------------------- 12
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SUMÁRIO
1 – INTRODUÇÃO -------------------------------------------------------------------------------------- 9
2 – OBJE...
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6 – CONCLUSÃO -------------------------------------------------------------------------------------- 52
7 – SUGESTÕES PA...
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1 – INTRODUÇÃO
A indústria metal-mecânica exige uma eficiência cada vez maior de seus processos
produtivos. Isso implica...
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2 – OBJETIVO
O objetivo do presente trabalho é identificar a influência dos parâmetros de corte sobre a
temperatura de ...
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3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Nesse capítulo serão tratados os seguintes tópicos: aços ferramenta (com ênfase ao aço ABNT
D...
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Tabela 3.1: Classificação dos aços ferramenta (adaptado de NBR NM 122-1, 2005).
Grupo Geral Classes
Designação
Tipo
Obs...
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Os aços para trabalho a frio são empregados em operações a temperatura ambiente ou pouco
elevadas. Apresentam alta dure...
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3.2 – Aço para trabalho a frio D2
O aço D2 pertence ao grupo de aços ferramenta destinados ao trabalho a frio o que lhe...
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Tabela 3.4: Comparativo das propriedades do aço ABNT D2, CPM 440V, T440C e CPM 10V
(adaptado de METALS HANDBOOK, 1998)....
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Tabela 3.6 Propriedades físicas do aço D2 (adaptado de WEST YORKSHIRE STEEL
COMPANY LTD, 2008).
Propriedades Físicas: T...
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Figura 3.2 Microestrutura do aço ABNT D2 (a) austenitizado a 1025ºC; (b) austenitizado a
1150ºC; (c) austenitizado a 98...
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3.4 – Forças de fresamento
O fresamento é uma operação de usinagem em que o metal é removido através da rotação da
ferr...
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Figura 3.3 Decomposição das forças de fresamento. Fonte: RIBEIRO, 2006
3.4.1 – Fatores que afetam a força de usinagem
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No que se refere à geometria da ferramenta, o aumento do ângulo de saída reduz o valor de
Fu, pois diminui a deformação...
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Figura 3.4 – Influência da velocidade de corte sobre a força de usinagem (Fu). Fonte:
RIBEIRO (2007).
Figura 3.5 – Infl...
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Figura 3.6 Influência da profundidade de corte e do teor de carbono sobre a força de
usinagem. Fonte: SAMPAIO et al. (2...
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3.5 – Temperatura de usinagem
Em operações de usinagem, a energia mecânica é quase totalmente convertida em calor por
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Além das técnicas de medição citadas anteriormente, existem também formas de se estimar,
com razoável exatidão, a tempe...
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Figura-3.8 a) Imagem original da câmera e b) Imagem processada através de um filtro. Fonte:
BORELLI, et al. (2000).
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Nas duas imagens pode-se perceber que as temperaturas máximas possuem a mesma ordem
de grandeza, sendo 137 °C na Figura...
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Figura 3.12 Temperatura de fresamento em função da profundidade de corte, a) Ap = 10mm,
b) Ap = 15mm, c) Ap = 20mm. Fon...
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• Desgaste de flanco: ocorre devido ao contato entre a ferramenta e peça, na superfície de
folga da ferramenta.
• Desga...
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• Abrasão: A abrasão é uma das principais causas de desgastes das ferramentas. Entre os
problemas causados pelo atrito ...
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A Figura 3.13 mostra o efeito da temperatura de corte e, consequentemente da velocidade de
corte e avanço, sobre os mec...
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4 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
A seguir serão apresentados os equipamentos, os materiais e os métodos adotados neste
tra...
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Figura 4.2 Câmera infravermelho Raytek, modelo Marathon MM (adaptado pelo autor).
Para aquisição dos valores de corrent...
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4.2 – Métodos
Após a fixação do corpo de prova no centro de usinagem, a câmera infravermelha foi montada
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Tabela 4.1: Valores pré-definidos para os parâmetros de corte.
Nível
Veloc. de corte
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experimento, pois em uma análise preliminar dos dados, foi o arranjo que apresentou melhor
comportamento no gráfico de ...
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Figura 4.5 Cavacos recolhidos com a seguinte configuração: vc=90 m/min, f=15 mm/rot,
ap=1,5 mm e ae=6 mm.
5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo serão apresentados os resultados encontrados durante os testes,
com uma análise ...
Pode-se observar que o gráfico de probabilidade
apresenta uma boa linearidade com a curva de tendência. O
uma maior concen...
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A Figura 5.3 mostra como cada um desses parâmetros afeta individualmente a temperatura do
cavaco, enquanto a Figura 5.4...
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o aumento do volume de material usinado e da área de contato da ferramenta com o corpo de
prova, que por sua vez aument...
5.2 – Corrente elétrica
5.2.1 – Corrente elétrica consumida pel
A Figura 5.5 mostra a distribuição dos resultados encontra...
linha central e sem a presença de linha de tendência e o
de testes (Figura 5.5d) também apresentou boa distribuição com po...
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O aumento do avanço proporciona um maior consumo de corrente elétrica do eixo principal.
Isso se dá pelo aumento de vol...
Figura 5.8 Analise dos dados referentes à c
Gráfico de distribuição normal; (b) Histograma; (c) G
ajustados; (d) Gráfico d...
Velocidade de corte (A), penetração de trabalho (D), profundidade de usinagem (C) e
(B) são, nesta ordem, os fatores mais ...
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Figura 5.10 Gráfico de efeitos principais para a corrente elétrica no motor de deslocamento do
eixo de avanço.
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5.3 – Cavacos
Na Figura 5.11 está representado como a alteração da velocidade de corte
características do cavaco.
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Na Figura 5.12 o valor do avanço é alterado enquanto os demais
fixos. Assim é possível observar o efeito
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Figura 5.13 Efeitos da profundidade de usinagem nas características físic
= 120 mm/min, f = 0,2 mm/
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Figura 5.14 Efeitos da penetração de trabalho nas car
120 mm/min, f = 0,1 mm/rot
= 2 mm e ae = 8 mm; (c) vc
mm/min, f = 0,...
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Tabela 5.2: Resumo dos resultados adquiridos, com a análise individual de cada parâmetro.
Velocidade de
corte
Avanço
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6 – CONCLUSÃO
Após a realização dos testes de fresamento do aço ABNT D2 e a análise dos resultados
referentes a tempera...
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7 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
O método utilizado para a medição da temperatura deve ser aperfeiçoado, pois os re...
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8 – REFERÊNCIAS
ARIETA, F.; NETTO, E. B. de M. Dureza e resistência ao impacto dos aços ferramenta –
Parte 1. Siderurgi...
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DINIZ, A. E.; MARCONDES, F. C.; COPPINI, N. L. Tecnologia da usinagem dos materiais,
5. ed. São Paulo: Artliber, 2006.
...
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SANDVIK – Ferramentas rotativas. Brasil: Catálogo. Disponível em:
<http://www.sandvik.coromant.com/SiteCollectionDocume...
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9 – ANEXOS
Anexo I – Especificação da fresa de topo utilizada (Sandvik, 2012).
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Anexo II – Especificação das pastilhas de metal duro utilizadas. (Sandvik, 2012).
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10 – APÊNDICES
Apêndice I – Tabela de resultados
Teste vc f ap ae Temperatura
Corrente
(Eixo principal)
Corrente
(Eixo ...
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Influência dos parâmetros de corte sobre a temperatura no fresamento do aço ferramenta abnt d2

  1. 1. 0 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Curso de Graduação em Engenharia Mecânica TRABALHO DE GRADUAÇÃO Influência dos parâmetros de corte sobre a temperatura no fresamento do aço ferramenta ABNT D2 Autor: Marco Hits Alves Orientador: Alexandre Mendes Abrão Julho de 2012
  2. 2. 1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Curso de Graduação em Engenharia Mecânica INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE CORTE SOBRE A TEMPERATURA NO FRESAMENTO DO AÇO FERRAMENTA ABNT D2 Marco Hits Alves Trabalho de Graduação apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais. Área de concentração: Processo de fabricação Orientador: Alexandre Mendes Abrão Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2012
  3. 3. 2 RESUMO A variação cíclica da temperatura a cada volta da ferramenta torna-se um agravante na operação de fresamento, uma vez que promove redução da vida da ferramenta. Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo identificar a influência dos parâmetros de corte sobre a temperatura de fresamento, a fim de garantir a integridade da ferramenta e as propriedades do aço usinado, melhorando a eficiência do processo e garantindo custos reduzidos. Foi investigada a influência dos seguintes parâmetros sobre a temperatura: velocidade de corte, avanço, profundidade de usinagem e penetração de trabalho. Para a medição da temperatura do cavaco foi utilizada uma câmera infravermelha com faixa de operação de 300 a 1100°C. Também foram coletadas amostras dos cavacos produzidos para análise. Além disso, a influência dos mesmos parâmetros sobre os valores de corrente elétrica consumida pelos motores de acionamento do eixo principal e do eixo de avanço também foi estudada. Foram definidos previamente dois níveis para cada um dos fatores, os quais foram arranjados de forma aleatória, na forma de um planejamento fatorial 2k . Os resultados indicaram que a temperatura do cavaco aumenta com a elevação da velocidade de corte, profundidade de usinagem e penetração de trabalho, mas diminui com a elevação do avanço. Com relação à corrente elétrica consumida pelos motores responsáveis pelo acionamento do eixo principal e de avanço, estes valores aumentam com a elevação do avanço, profundidade de usinagem e penetração de trabalho, mas diminuíram com a elevação da velocidade de corte. Finalmente, a coloração dos cavacos foi afetada pela elevação da velocidade de corte e da profundidade de usinagem. Palavras chave: Fresamento, Temperatura, Aço ABNT D2, Metal duro.
  4. 4. 3 LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 – Resistência ao impacto do aço AISI D2 após austenitização a 1030° C, 1060° C e1120° C, seguido de tratamento criogênico, têmpera e revenimento a 520° C --------------- 16 Figura 3.2 – Microestrutura do aço ABNT D2 (a) austenitizado a 1025ºC; (b) austenitizado a1150ºC; (c) austenitizado a 982ºC e (d) austenitizado a1023ºC -------------------------------- 17 Figura 3.3 – Decomposição das forças de fresamento --------------------------------------------- 19 Figura 3.4 – Influência da velocidade de corte sobre a força de usinagem (Fu) --------------- 21 Figura 3.5 – Influência do avanço sobre a força de usinagem (Fu) ------------------------------ 21 Figura 3.6 – Influência da profundidade de corte e do teor de carbono sobre a força de usinagem ------------------------------------------------------------------------------------------------- 22 Figura 3.7 – a) Modelo de elementos finitos para a simulação explícita com deformação e b) Resultado da simulação utilizando o método explícito -------------------------------------------- 24 Figura-3.8 – a) Imagem original da câmera e b) Imagem processada através de um filtro ------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 25 Figura 3.9 – a) Termografia obtida com a câmara Therma CAM TM P20 e b) Termografia obtida com a câmera Agema Flir Systems ---------------------------------------------------------- 25 Figura 3.10 – Temperatura de fresamento em função da velocidade de corte ------------------ 26 Figura 3.11 – Temperatura de fresamento em função do avanço -------------------------------- 26 Figura 3.12 – Temperatura de fresamento em função da profundidade de corte --------------- 27 Figura 3.13 – Desgaste da ferramenta em função da temperatura ------------------------------- 30 Figura 4.1 – Centro de usinagem Romi, modelo Discovery 560 --------------------------------- 31 Figura 4.2 – Câmera infravermelho Raytek, modelo Marathon MM ---------------------------- 32 Figura 4.3 – Microscópio utilizado para registro dos cavacos adquiridos durante os ensaios --- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32
  5. 5. 4 Figura 4.4 – (a) Montagem da fresa no centro de usinagem e da câmera infravermelha. (b) Ponto de medição da temperatura, na superfície de saída do cavaco na ferramenta. (c) Esquema da montagem experimental ---------------------------------------------------------------- 33 Figura 4.5 – Cavacos recolhidos com a seguinte configuração: vc=90 m/min, f=15 mm/rot, ap=1,5 mm e ae=6 mm --------------------------------------------------------------------------------- 36 Figura 5.1 – Análise dos dados referentes à temperatura. (a) Gráfico de distribuição normal; (b) Histograma; (c) Gráfico de resíduos versus valores ajustados; (d) Gráfico de resíduos versus sequência de testes ----------------------------------------------------------------------------- 37 Figura 5.2 – Gráfico de Pareto dos efeitos padronizados para a temperatura ------------------ 38 Figura 5.3 – Gráfico de efeitos principais para temperatura -------------------------------------- 39 Figura 5.4 – Gráfico da interações entre parâmetros, dois a dois -------------------------------- 40 Figura 5.5 – Análise dos dados referentes à corrente consumida no eixo principal. (a) Gráfico de distribuição normal; (b) Histograma; (c) Gráfico de resíduos versus valores ajustados; (d) Gráfico de resíduos versus sequência de testes ----------------------------------------------------- 41 Figura 5.6 – Gráfico de Pareto dos efeitos padronizados para corrente elétrica consumida no motor do eixo principal -------------------------------------------------------------------------------- 42 Figura 5.7 – Gráfico de efeitos principais para a corrente elétrica no motor do eixo principal -- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43 Figura 5.8 – Análise dos dados referentes à corrente consumida pelo motor de avanço. (a) Gráfico de distribuição normal; (b) Histograma; (c) Gráfico de resíduos versus valores ajustados; (d) Gráfico de resíduos versus sequência de testes ------------------------------------ 44 Figura 5.9 – Gráfico de Pareto dos efeitos padronizados para corrente elétrica consumida no motor do eixo de avanço ------------------------------------------------------------------------------- 45 Figura 5.10 – Gráfico de efeitos principais para a corrente elétrica no motor de deslocamento do eixo de avanço --------------------------------------------------------------------------------------- 46
  6. 6. 5 Figura 5.11 – Efeitos da velocidade de corte nas características físicas do cavaco. (a) vc = 60 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 1 mm e ae = 4 mm; (b) vc = 120 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 1 mm e ae = 4 mm; (c) vc = 60 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 1 mm e ae = 8 mm; (d) vc = 120 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 1 mm e ae = 8 mm -------------------------------------------------- 47 Figura 5.12 – Efeitos do avanço nas características físicas do cavaco. (a) vc = 60 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 2 mm e ae = 8 mm; (b) vc = 60 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 2 mm e ae = 8 mm; (c) vc = 60 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 2 mm e ae = 4 mm; (d) vc = 60 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 2 mm e ae = 4 mm ----------------------------------------------------------------------- 48 Figura 5.13 – Efeitos da profundidade de usinagem nas características físicas do cavaco. (a) vc = 120 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 1 mm e ae = 8 mm; (b) vc = 120 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 2 mm e ae = 8 mm; (c) vc = 120 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 1 mm e ae = 4 mm; (d) vc = 120 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 2 mm e ae = 4 mm --------------------------------------------- 49 Figura 5.14 – Efeitos da penetração de trabalho nas características físicas do cavaco. (a) vc = 120 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 2 mm e ae = 4 mm; (b) vc = 120 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 2 mm e ae = 8 mm; (c) vc = 60 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 1 mm e ae = 4 mm; (d) vc = 60 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 1 mm e ae = 8 mm -------------------------------------------------- 50
  7. 7. 6 LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 – Classificação dos aços ferramenta --------------------------------------------------- 12 Tabela 3.2 – Normas que regem o aço D2 e nomenclatura de aços similares ------------------ 14 Tabela 3.3 – Composição química do aço D2 (%)-------------------------------------------------- 14 Tabela 3.4 – Comparativo das propriedades do aço ABNT D2, CPM440V, T440C e COM10V ------------------------------------------------------------------------------------------------ 15 Tabela 3.5 – Dureza a quente do aço D2 ------------------------------------------------------------ 15 Tabela 3.6 – Propriedades físicas do aço D2 -------------------------------------------------------- 16 Tabela 3.7 – Principais tipos de desgaste ------------------------------------------------------------ 29 Tabela 4.1 – Valores pré-definidos para os parâmetros de corte --------------------------------- 34 Tabela 4.2 – Exemplo de aquisição da temperatura ------------------------------------------------ 34 Tabela 5.1 – Ordem de influência dos fatores no consumo da corrente elétrica pelo motor principal e de avanço ----------------------------------------------------------------------------------- 46 Tabela 5.2 – Resumo dos resultados adquiridos, com a análise individual de cada parâmetro -- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 51
  8. 8. 7 SUMÁRIO 1 – INTRODUÇÃO -------------------------------------------------------------------------------------- 9 2 – OBJETIVO ------------------------------------------------------------------------------------------ 10 3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ------------------------------------------------------------------- 11 3.1 – Aços ferramenta ------------------------------------------------------------------------- 11 3.2 – Aço para trabalho a frio D2 ------------------------------------------------------------ 14 3.3 – Usinabilidade ---------------------------------------------------------------------------- 17 3.4 – Forças de fresamento ------------------------------------------------------------------- 18 3.5 – Temperatura de usinagem -------------------------------------------------------------- 23 3.6 – Vida e desgaste de ferramenta no corte interrompido ------------------------------ 27 4 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL --------------------------------------------------------- 31 4.1 – Equipamentos e materiais -------------------------------------------------------------- 31 4.2 – Métodos ---------------------------------------------------------------------------------- 33 4.2.1 – Aquisição da temperatura --------------------------------------------------- 34 4.2.2 – Aquisição da corrente elétrica ---------------------------------------------- 35 4.2.3 – Coleta de cavacos ------------------------------------------------------------ 35 5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO ---------------------------------------------------------------- 37 5.1 – Temperatura ------------------------------------------------------------------------------ 37 5.2 – Corrente elétrica ------------------------------------------------------------------------- 41 5.2.1 – Corrente elétrica no motor do eixo principal ----------------------------- 41 5.2.2 – Corrente elétrica no motor de deslocamento do eixo de avanço ------- 43 5.3 – Cavacos ----------------------------------------------------------------------------------- 47
  9. 9. 8 6 – CONCLUSÃO -------------------------------------------------------------------------------------- 52 7 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS --------------------------------------------- 53 8 – REFERÊNCIAS ------------------------------------------------------------------------------------ 54 9 – ANEXOS -------------------------------------------------------------------------------------------- 57 Anexo I – Catálogo Sandvik sobre dimensões da ferramenta --------------------------- 57 Anexo II – Catálogo Sandvik sobre dimensões dos insertos ----------------------------- 58 10 – APÊNDICE ---------------------------------------------------------------------------------------- 59 Apêndice I – Tabela de resultados ----------------------------------------------------------- 59
  10. 10. 9 1 – INTRODUÇÃO A indústria metal-mecânica exige uma eficiência cada vez maior de seus processos produtivos. Isso implica na utilização de materiais especiais para a construção de ferramentas de produção em série, tais como ferramentas de corte, dobra e repuxo, moldes de injeção e formas de forjamento. Além disso, a confecção dessas ferramentas também deve se tornar mais rápida. Alguns desses problemas foram resolvidos com a criação dos aços ferramenta, das máquinas com comando numérico computadorizado (CNC) e das ferramentas de corte de metal duro revestidas. Todas essas inovações permitiram que os parâmetros de usinagem, tais como velocidade de corte, avanço, profundidade de corte e penetração de trabalho fossem aumentados, fato que resultou na elevação da temperatura de corte. O aumento da temperatura é um fenômeno inerente ao aumento da taxa de remoção em processo de usinagem. Em muitos casos essa elevação da temperatura é indesejável, pois pode causar um desgaste prematuro da ferramenta de corte e também a alteração das propriedades físicas e mecânicas do material da peça a ser usinada. No entanto, o aumento da temperatura também pode proporcionar benefícios ao processo, sendo o principal a redução da resistência ao cisalhamento do material da peça, o que por sua vez faz com que as forças de usinagem sejam reduzidas consideravelmente. No caso específico da operação de fresamento, tem-se como agravante a variação cíclica de temperatura a cada volta da ferramenta. Esta variação causa fadiga térmica, o que promove a redução da vida da ferramenta. Mesmo contribuindo com uma pequena parcela para o custo final de uma peça usinada, as ferramentas de corte devem ser preservadas, uma vez que em caso de quebra ou desgaste seu valor deixa de ser computado diretamente e passa a ser somado a ele também o valor das horas paradas para sua troca (tempo não produtivo).
  11. 11. 10 2 – OBJETIVO O objetivo do presente trabalho é identificar a influência dos parâmetros de corte sobre a temperatura de fresamento, a fim de garantir a integridade da ferramenta e as propriedades do aço a ser usinado, melhorando assim a eficiência do processo e garantindo ao mesmo, custos reduzidos. Mais especificamente, pretende-se estudar a influência dos seguintes parâmetros sobre a temperatura do cavaco: velocidade de corte, avanço, profundidade de usinagem e penetração de trabalho. Também será estudada a influência desses mesmos fatores sobre a corrente elétrica consumida pelos motores responsáveis pelo acionamento do eixo principal (movimento de rotação da fresa) e do movimento de avanço da ferramenta. Por fim, a influência dos fatores supracitados sobre a coloração dos cavacos será analisada.
  12. 12. 11 3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Nesse capítulo serão tratados os seguintes tópicos: aços ferramenta (com ênfase ao aço ABNT D2), operação de fresamento, forças de fresamento, vida e desgaste no corte interrompido e temperatura de fresamento, sendo essa última o foco principal do trabalho. 3.1 – Aços ferramenta Aços ferramenta são assim chamados devido à sua utilização na construção de ferramentas de corte, dobra e repuxo de chapas metálicas, de moldes de injeção de polímeros e metais não ferrosos e de formas para forjamento. Até o final dos anos 60 os aços ao carbono comuns eram empregados como aço ferramenta. Desde então, a complexidade da composição desses aços foi aumentando cada vez mais e proporcionalmente à complexidade melhoraram também as propriedades físicas e mecânicas. Os aços ferramenta foram desenvolvidos a partir de ligas, ou seja, da adição de outros elementos, como por exemplo: tungstênio, molibdênio, vanádio e cromo, o que garantiu aos aços ferramenta um maior controle dimensional e a isenção de trincas durante o tratamento térmico, permitindo que esses aços fossem submetidos às exigências cada vez mais severas da indústria contemporânea (METALS HANDBOOK, 1998). Para que os aços ferramenta apresentem as propriedades desejadas é exigido um alto controle de qualidade, o que implica em tolerâncias bastante apertadas em sua composição química, independentemente da norma utilizada. Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), os aços ferramenta são classificados, a partir da sua utilização, em seis grandes grupos, que por sua vez se subdividem em classes, cada uma dessas com uma característica específica, como exposto na Tabela 3.1.
  13. 13. 12 Tabela 3.1: Classificação dos aços ferramenta (adaptado de NBR NM 122-1, 2005). Grupo Geral Classes Designação Tipo Observações AÇOS PARA TRABALHOS A FRIO Ao carbono W Temperáveis em água Alto carbono e baixa liga O Temperáveis em óleo, de moderada deformabilidade Alto carbono e média liga A Temperáveis a ar, de moderada deformabilidade Alto carbono e alta liga D De mínima deformabilidade Alto carbono e baixa liga 2516 Aço prata Alto carbono e alta liga 2601 De mínima deformabilidade e alta tenacidade Médio carbono e alta liga 2631 De mínima deformabilidade AÇOS PARA MOLDES Ao carbono e baixa liga P Aços indicados para cementação (P20) Ao carbono e média liga Aços indicados para beneficiamento ou endurecíeis por precipitação (P40) Inoxidáveis Aços martensítico (P420) AÇOS RESISTENTES AO IMPACTO Médio carbono S Aços indicados para beneficiamento AÇOS PARA USOS ESPECIAIS Ligados ao C e W F AÇOS PARA TRABALHO À QUENTE Ligados ao Cr H Resistentes ao choque térmico H10 a H13 Médio carbono e ligados H Resistentes ao desgaste a temperaturas elevadas H27 2345 2714 Alta resistência e média tenacidade 2721 Resistente ao desgaste e alta tenacidade TM Alia dureza e alta tenacidade AÇOS-RÁPIDO Ligados ao Cr, V, Mo ou W Alta dureza e resistência ao desgaste
  14. 14. 13 Os aços para trabalho a frio são empregados em operações a temperatura ambiente ou pouco elevadas. Apresentam alta dureza, tenacidade e resistência à abrasão e alguns deles apresentam baixa deformabilidade. São destinados à construção de ferramentas de conformação e processamento de chapas metálicas e de outros materiais como, por exemplo, madeira, couro e minerais (GERDAU, 2003). Aços para moldes são aços médio carbono que apresentam uma boa usinabilidade e uniformidade de dureza, o que permite um excelente polimento das superfícies. Possuem média temperabilidade, baixa distorção, baixa resistência ao amolecimento sob elevadas temperaturas e alta resistência a descarbonetação. Como o próprio nome diz, são especialmente indicados para a construção de moldes de injeção de plástico e para fundição sob pressão de ligas leves. Aços resistentes ao impacto apresentam uma grande tenacidade e resistência ao choque aliada a uma boa dureza. Alguns são utilizados para trabalho a frio enquanto outros para trabalho a quente. São usados normalmente na construção de facas para corte de chapas de aços, punções, mandris, talhadeiras, ferramentas para recalque. Aços para trabalho a quente são destinados a operações sob temperaturas que superam 200° C e sob tais condições apresentam elevada dureza, resistência mecânica e ao desgaste. Também possuem boa temperabilidade, tenacidade, condutividade, resistência a fadiga e a formação de trincas. Estas propriedades são apresentadas normalmente em aços ligados (GERDAU, 2003). A nomenclatura "aço-rápido" está basicamente associada aos aços que apresentam capacidade de usinar materiais sob elevadas velocidades de corte. São ligas complexas à base de ferro com teores variáveis de carbono, cromo, vanádio, molibdênio ou tungstênio, e em alguns casos, apresentam uma quantidade substancial de cobalto. Os teores de carbono e dos elementos de liga são balanceados em níveis que propiciam ao material elevada resposta de dureza, elevada resistência ao desgaste e resistência ao efeito de amolecimento pelo calor quando as ferramentas são submetidas ao uso em operações de corte industriais (ABNT NBR NM 116-1, 2005).
  15. 15. 14 3.2 – Aço para trabalho a frio D2 O aço D2 pertence ao grupo de aços ferramenta destinados ao trabalho a frio o que lhe compete características importantes como, por exemplo: alta dureza, tenacidade, resistência a abrasão e baixa deformação quando submetido a tratamento térmico. Como esse aço apresenta características bastante específicas para sua utilização, o mesmo é regularizado pelas normas ABNT, AISI, e ainda possui similares nas normas DIN, SIS e em catálogos de fabricantes como, por exemplo, Villares, Boehler e Gerdau. São apresentadas na Tabela 3.2 algumas normas que regulamentam o aço D2 ou similares e suas respectivas nomenclaturas. O aço D2 tem como seu principal elemento de liga o cromo, que pode representar até 13% de sua composição, como apresentado na Tabela 3.3 Tabela 3.2: Normas que regem o aço D2 e nomenclatura de aços similares Norma ABNT AISI DIN W.Nr JIS SIS NBR NM 122- 1 - 17350 G4404 - Nome D2 D2 (1.2379) (SKD 11) (2310) Tabela 3.3: Composição química do aço D2 (%) (adaptado de NBR NM 122-1, 2005). Grupo de aços Tipo C Mn P S Si Cr Mo W V Ni Mín Máx Mín Máx Máx Máx Mín Máx Mín Máx Mín Máx - Mín Máx - Trabalhos a frio D2 1,4 1,6 0,2 0,6 0,03 0,03 0,1 0,6 11.0 13,0 0,7 1.20 - 0,5 1,1 - * Outros elementos: Cu. 0.50-2,00 e Al. 0.50-2.00 ** Outros elementos: Nb. Máx 1.00 NOTA: Os limites previstos para a composição química incluem as tolerâncias aplicadas às análises químicas do produto. Utilizado especialmente em ferramentas de conformação de chapas de aço, o D2 deve apresentar, além de uma dureza elevada, uma boa resistência ao desgaste e também elevada resistência ao impacto. Essas características estão representadas de forma quantitativa na Tabela 3.4. Além disso, podem ser comparadas às características dos aços CPM 440V e CPM 10V que são aços para trabalho a frio e ao T440C que é um aço inoxidável martensítico.
  16. 16. 15 Tabela 3.4: Comparativo das propriedades do aço ABNT D2, CPM 440V, T440C e CPM 10V (adaptado de METALS HANDBOOK, 1998). Aço Dureza [HRC] Resistência ao Desgaste Resistência ao impacto (entalhe tipo “C”) 107 Mpa J D2 59 28 31,2 CPM 440V 59 276 16,3 T440C 56,5 28 35,3 COM 10V 60 517 35,3 Ao submeter um aço a temperaturas elevadas pode-se constatar consideráveis alterações em sua microestrutura e também em suas propriedades físicas. A Tabela 3.5 apresenta o motivo da classificação do D2 como aço para trabalho a frio, pois mostra como sua dureza decai com a elevação da temperatura, ao contrário dos aços ABNT H13 e T15. Tabela 3.5: Dureza a quente do aço D2 (adaptado de METALS HANDBOOK, 1998). Aço Dureza [HRC] Temperatura Ambiente 315 °C 425 °C 540 °C 650 °C D2 60 53 47 38 - H13 55 49 47 42 22 T15 68 64 61 57 42 Na tabela 3.6 pode-se observar outras propriedades do aço D2 e sua variação quando sofre a interferência da temperatura. Em particular, nota-se uma sensível queda no módulo de elasticidade à medida que a temperatura é elevada. Mesmo depois de resfriado, o aço carrega os efeitos do excesso de temperatura: a Figura 3.1 representa a queda da resistência ao impacto do aço ABNT D2 devido ao aumento da temperatura de austenitização.
  17. 17. 16 Tabela 3.6 Propriedades físicas do aço D2 (adaptado de WEST YORKSHIRE STEEL COMPANY LTD, 2008). Propriedades Físicas: Temperatura: 20 ° C 200 ° C 400 ° C Densidade (kg / dm ³) 7,7 7,65 7,6 Coeficiente de expansão térmica (por ° C a partir de 0 ° C) - 11,0 x 10-6 10,8 x 10-6 A condutividade térmica (cal / cm.s ° C) 40,9 x 10-3 50,4 x 10-3 55,2 x 10-3 Calor específico (cal / g ° C) 0,110 0,110 0,110 Módulo de elasticidade (N / mm²) 193 000 188 000 173 000 Figura 3.1 Resistência ao impacto do aço AISI D2 após austenitização a 1030° C, 1060° C e 1120° C, seguido de tratamento criogênico, têmpera e revenimento a 520° C, (adaptado de ARIETA e NETTO, 2008). Segundo SMITH (1998) o aço ferramenta D2 é usualmente resfriado ao ar para temperaturas de austenitização em torno de 1010ºC à 1038ºC. Se aquecido à temperatura de austenitização muito alta, sua dureza na superfície revenida será mais baixa até aproximadamente 450° C. A razão para este abaixamento da dureza é que, após austenitização acima de aproximadamente 1090ºC, mais carbono e cromo estão dissolvidos na austenita e consequentemente mais austenita retida é formada. Quando a temperatura de revenido excede aproximadamente 500ºC, muita austenita retida é transformada em martensita, e esta transformação é em parte responsável pela elevação da dureza. A precipitação de carboneto de cromo pode também contribuir para aumento na dureza para esta alta temperatura. As microestruturas do aço ferramenta D2 após vários tratamentos térmicos são mostradas na Figura 3.2. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 1030° C 1060° C 1120° C Impacto[J] Temperatura [°C]
  18. 18. 17 Figura 3.2 Microestrutura do aço ABNT D2 (a) austenitizado a 1025ºC; (b) austenitizado a 1150ºC; (c) austenitizado a 982ºC e (d) austenitizado1023ºC. Fonte: SMITH, 1998 3.3 – Usinabilidade A usinabilidade é o grau de facilidade com a qual o material é cortado e depende do estado metalúrgico da peça, da dureza, das propriedades mecânicas do material, de sua composição química, das operações anteriores efetuadas sobre o material e do eventual encruamento. Depende ainda das condições de usinagem, das características da ferramenta, das condições de refrigeração, da rigidez do sistema máquina, ferramenta, peça e dispositivos de fixação da ferramenta de corte e dos tipos de trabalhos executados pela ferramenta (operação empregada, corte contínuo ou intermitente, condições de entrada e saída da ferramenta). Em paralelo com todos os fatores mencionados, destaca-se ainda que o aumento do teor de elementos de liga reduz a usinabilidade, o que é particularmente relevante para os aços ferramenta. A usinabilidade de aços ferramenta pode ser medida pelos métodos tradicionalmente aplicados aos aços para construção mecânica. Os resultados são relatados em termos percentuais da usinabilidade do aço ferramenta temperável em água, 100% de usinabilidade de aços ferramenta correspondem a aproximadamente 30% de usinabilidade para aços de construção (100% representaria um aço de corte fácil, como o B1112). A usinabilidade dos aços ferramenta pode ser melhorada alterando sua composição química ou tratamento térmico preliminar, o que pode ser importante se o volume a ser usinado ou se o número de ferramentas a ser produzido for elevado. A usinabilidade do aço D2 é de aproximadamente de 30 a 40% (METALS HANDBOOK, 1998).
  19. 19. 18 3.4 – Forças de fresamento O fresamento é uma operação de usinagem em que o metal é removido através da rotação da ferramenta de corte (fresa) que possui múltiplas arestas cortantes. Cada aresta de corte remove uma pequena quantidade de metal em cada revolução do eixo e por esse motivo o fresamento é considerado como operação de corte interrompido. Nesse tipo de usinagem tanto a peça quanto a ferramenta de corte podem se mover em mais de uma direção ao mesmo tempo, sendo então possível gerar inúmeras superfícies (METALS HANDBOOK, 1998). Entretanto, a variação cíclica de tensão e temperatura tem efeito prejudicial sobre a usinabilidade em operações de corte interrompido. As forças de usinagem são consideradas como uma ação da peça sobre a ferramenta. Para que sejam definidos a direção e o sentido da resultante dessa força sobre a cunha cortante são somadas várias componentes, descritas a seguir e representadas na Figura 3.3 (DINIZ; MARCONDES e COPPINI, 2006). A força de usinagem (Fu) é formada por duas componentes: força ativa (Ft), que está no plano de trabalho e a força perpendicular ao mesmo plano, chamada força passiva (Fp). As componentes da força ativa (Ft) contribuem para a potência de usinagem, pois estão no plano de trabalho onde os movimentos de trabalho são realizados. Componentes da força de usinagem (Fu) no fresamento: • Força de corte (Fc): projeção de Fu na direção de corte. • Força de avanço (Ff): projeção de Fu na direção de avanço. • Força de apoio (Fap): projeção de Fu sobre a direção perpendicular à direção de avanço, situada no plano de trabalho. • Força efetiva de corte (Fe): projeção de Fu sobre a direção efetiva de corte. • Força passiva ou de profundidade (Fp): componente de Fu em um plano ortogonal ao plano de trabalho. Esta componente não contribui para a potência de usinagem, pois é perpendicular ao plano onde acontecem os movimentos de corte. No entanto, é responsável pela deformação elástica da peça e da ferramenta durante a usinagem, o que dificulta a obtenção de formas e tolerâncias apertadas. A Figura 3.3 ilustra as componentes de Fu supracitadas.
  20. 20. 19 Figura 3.3 Decomposição das forças de fresamento. Fonte: RIBEIRO, 2006 3.4.1 – Fatores que afetam a força de usinagem Dois fatores são predominantes sobre a força de usinagem: a resistência ao cisalhamento do principal elemento químico presente na peça e as áreas dos planos de cisalhamento primários e secundários. Desta forma, qualquer parâmetro que cause a elevação da resistência ao cisalhamento do material da peça ou o aumento das áreas dos planos proporcionará a elevação da força de usinagem. Assim, o aumento do percentual de carbono na constituição dos aços aumenta Fu, ao passo que o aumento do percentual de fósforo, chumbo, boro e sulfeto de manganês reduz Fu, pois durante a formação do cavaco esses elementos se deformam plasticamente e produzem planos de baixa resistência, reduzindo a energia requerida para a ruptura do cavaco. Além disso, eles funcionam como lubrificantes sólidos na interface cavaco/ferramenta. Em geral a força de usinagem é diretamente proporcional à dureza da peça, no entanto isso não pode ser tratado como regra, uma vez que materiais com durezas muito parecidas podem apresentar valores bem diferentes de Fu. A força de usinagem também pode ser correlacionada com a tensão limite de escoamento ou de ruptura do material (DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2006).
  21. 21. 20 No que se refere à geometria da ferramenta, o aumento do ângulo de saída reduz o valor de Fu, pois diminui a deformação do cavaco. No entanto, esse aumento causa a redução da resistência da ferramenta, aumentando sua sensibilidade aos choques. O aumento do ângulo de inclinação reduz o valor de Fu, pois da mesma forma que o ângulo de saída, reduz a deformação do cavaco. Por sua vez a redução do ângulo de folga aumenta o atrito entre a peça e a ferramenta e por isso o valor de Fu também aumenta. Valores de ângulo de folga acima de 5° praticamente não influenciam na força de usinagem. O valor de Fu diminui com a redução da área da seção de corte, entretanto, de acordo com Shaw (1984), durante o processo de formação de cavaco, parte do volume de material deformado da peça não se transforma em cavaco, mas sim escorrega entre a peça e a superfície de folga da ferramenta, gerando o chamado fluxo lateral de cavaco. Com relação aos parâmetros de corte, o aumento da velocidade de corte tende a reduzir os valores de Fu, pois fazendo essa alteração ocorre um aumento da temperatura e consequentemente a diminuição da deformação plástica, da dureza e do coeficiente de atrito entre cavaco e ferramenta. Já o aumento do avanço e da profundidade de usinagem provocam a elevação da força de usinagem devido ao aumento da área do plano de cisalhamento primário. Com relação à lubrificação e à refrigeração, essas condições interferem em Fu, principalmente alterando o coeficiente de atrito entre o cavaco e a ferramenta. Quanto maior a penetração do fluido e ainda quanto maior for seu efeito lubrificante, menor será o valor de Fu. Nas Figuras 3.4 a 3.6 são apresentados alguns exemplos da variação da força de usinagem a partir da variação de alguns parâmetros de corte e para diferentes materiais de ferramenta: cermet (530) e metal duro (1025 e 4040).
  22. 22. 21 Figura 3.4 – Influência da velocidade de corte sobre a força de usinagem (Fu). Fonte: RIBEIRO (2007). Figura 3.5 – Influência do avanço sobre a força de usinagem (Fu). Fonte: RIBEIRO (2007).
  23. 23. 22 Figura 3.6 Influência da profundidade de corte e do teor de carbono sobre a força de usinagem. Fonte: SAMPAIO et al. (2008). Na figura 3.4 percebe-se um comportamento não esperado da força de usinagem em função da velocidade de corte, no entanto, uma tendência de ligeira elevação é notada. A Figura 3.5 indica que as forças de usinagem tendem a aumentar com o aumento do avanço, apesar do comportamento não linear. A figura 3.6 mostra que a força de usinagem reage de forma diretamente proporcional ao aumento da profundidade de corte. Entretanto, não há diferenças significativas em função do teor de carbono. Contudo espera-se que a força de usinagem seja aumentada com o volume de material removido por revolução da ferramenta. Isso significa o aumento dos seguintes parâmetros: avanço (f), profundidade de usinagem (ap) e penetração de trabalho (ae). Contudo, o aumento da velocidade de corte (vc) proporciona a elevação da temperatura de fresamento, que por sua vez reduz a resistência ao cisalhamento do material usinado, reduzindo assim as forças de usinagem. 0 200 400 600 800 1000 1200 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 ForçadeUsinagen[N] Profundidade de Corte [mm] Alto Carbono Baixo Carbono
  24. 24. 23 3.5 – Temperatura de usinagem Em operações de usinagem, a energia mecânica é quase totalmente convertida em calor por meio da deformação plástica envolvida na formação do cavaco e através do atrito entre a ferramenta e a peça. Este calor é um parâmetro que permite medir o desempenho da ferramenta durante o processo. A contínua necessidade de aumento das velocidades de corte em processos de usinagem de alto desempenho tem impulsionado pesquisas de novos materiais resistentes a altas temperaturas, assim como estudos de maximização da taxa de remoção de material (D’ERRICO, 1998). O estudo dos métodos utilizados para a avaliação de temperatura no processo de usinagem é bastante antigo. Trent e Wright (2000) e Longbottom e Lanham (2005) citam que F. W. Taylor foi um dos primeiros a se preocupar com os efeitos térmicos nos resultados de processos de usinagem, citando-os em seu artigo “On The Art of Cutting Metals” de 1907. Desde aquela época era sabido que, se as temperaturas de usinagem se elevam muito rapidamente, o desgaste das ferramentas aumenta e pode causar danos à peça, pois o aumento dos esforços pode influenciar o acabamento. Também se concluiu que a integridade da superfície de trabalho e a precisão de usinagem são diretamente afetadas pela temperatura de corte (RIBEIRO, 2007). As principais técnicas experimentais usadas para medição da temperatura de usinagem são: • Técnica de medição pelo método calorimétrico; • Técnica do termopar peça-ferramenta; • Técnica do termopar embutido; • Técnica do termopar monofilar; • Técnica do retículo de difração de Bragg; • Técnica do filme obtido por deposição física de vapor; • Técnica da aplicação de pós-químicos; • Técnica dos vernizes termosensíveis e lápis indicadores de temperatura; • Técnica da alteração de dureza e microestrutura em aços ferramenta; • Técnica de captação de radiação infravermelha.
  25. 25. 24 Além das técnicas de medição citadas anteriormente, existem também formas de se estimar, com razoável exatidão, a temperatura de usinagem utilizando métodos numéricos (CARVALHO et al., 2004). Uma dessas técnicas está representada na Figura 3.7. Figura 3.7 a) Modelo de elementos finitos para a simulação explícita com deformação e b) Resultado da simulação utilizando o método explícito. Fonte: NASCIMENTO e COELHO (2011). Neste trabalho será dada maior ênfase à técnica de medição da temperatura de usinagem por meio da captação de radiação infravermelha emitida por um corpo aquecido (no caso, o cavaco). Em 1997, Ay e Yang usaram um sistema termográfico em sincronismo com um conjunto de termopares para analisar a influência das variáveis sobre a temperatura durante a operação de torneamento. O sistema forneceu informações em forma de termogramas possibilitando a investigação da distribuição da temperatura nas ferramentas e como a transferência de calor pode afetar o uso, a vida e o desgaste da ferramenta. Em outra etapa foi usado um microscópio eletrônico para investigação da superfície da ferramenta. Borelli et al. (2000) concluíram que a qualidade do acabamento, desempenho da usinagem e vida da ferramenta variam com a temperatura. Pode-se então dizer que intensidade luminosa de cada ponto representado na Figura 3.8 é proporcional à energia emitida pelo espectro infravermelho, varia com a velocidade de corte e pode ser considerado como um importante parâmetro para verificação do desempenho, da qualidade de acabamento e da vida da ferramenta.
  26. 26. 25 Figura-3.8 a) Imagem original da câmera e b) Imagem processada através de um filtro. Fonte: BORELLI, et al. (2000). A Figura 3.8 mostra ainda o exato momento da quebra de uma ferramenta com exatidão de 1/60 segundos. As regiões representadas em preto apresentam temperaturas próximas de 0º C enquanto as áreas em branco têm temperaturas em torno de 255º C. Para a medição da temperatura através da radiação infravermelha é necessário considerar a emissividade do objeto, a distância do objeto até a câmera, a umidade relativa, a temperatura atmosférica e a temperatura refletida pelo ambiente (AY & YANG, 1997). Soloman (1998) afirma que as características da superfície do objeto também são importantes para a calibração da câmera. A Figura 3.9 mostra dois exemplos de medição da temperatura utilizando câmeras de captação da radiação infravermelha. Figura 3.9 a) Termografia obtida com a câmera Therma CAM TM P20 e b) Termografia obtida com a câmera Agema Flir Systems. Fonte: RIBEIRO (2007)
  27. 27. 26 Nas duas imagens pode-se perceber que as temperaturas máximas possuem a mesma ordem de grandeza, sendo 137 °C na Figura 3.8(a) e 147 °C na Figura 3.8(b). Percebe-se também que em ambos os casos a emissividade utilizada para a calibração da câmera foi de 0,75. Nas Figuras 3.10 a 3.12 estão representados gráficos com a variação da temperatura de fresamento em função da velocidade de corte e do avanço e da profundidade de corte. Observa-se que o aumento da velocidade de corte e do avanço reduziram a temperatura de fresamento, enquanto o aumento da profundidade de corte eleva a temperatura. Segundo Ribeiro (2007), isso se explica pelo fato de não ser possível captar a temperatura sempre no mesmo ponto, ou seja, é provável que as termografias tenham sido tiradas em diferentes momentos ao longo do percurso efetivo da ferramenta e consequentemente, removendo espessuras distintas de corte. Figura 3.10 Temperatura de fresamento em função da velocidade de corte. Fonte: RIBEIRO (2007). Figura 3.11 Temperatura de fresamento em função do avanço. Fonte: RIBEIRO (2007).
  28. 28. 27 Figura 3.12 Temperatura de fresamento em função da profundidade de corte, a) Ap = 10mm, b) Ap = 15mm, c) Ap = 20mm. Fonte: TOH (2005). Nota-se que as Figuras 3.12 a, b e c são muito parecidas, no entanto percebe-se que a escala usada para representar as temperaturas é diferente e que a temperatura máxima de cada um dos processos é, respectivamente, 601,2°C, 670,7°C e 833,3°C. Logo, observamos que a temperatura de fresamento é diretamente proporcional ao aumento da profundidade de corte. 3.6 – Vida e desgaste de ferramenta no corte interrompido Por mais elevadas que sejam a dureza e a resistência ao desgaste da ferramenta de corte e por menor que seja a resistência mecânica da peça de trabalho, a ferramenta sofrerá um processo de desgaste que mais cedo ou mais tarde exigirá sua substituição. Estudar e entender o processo pelo qual as ferramentas se desgastam é muito importante, pois pode permitir ações coerentes e efetivas para reduzir a evolução desse processo, prolongando a vida da aresta de corte. Embora os custos com ferramentas de corte representem apenas uma pequena fração do custo de fabricação, o desgaste acelerado e/ou avarias frequentes levam a paradas da máquina para troca e isso significa custos adicionais e perda de produtividade. Além disso, o conhecimento do processo de desgaste da aresta fornecerá subsídios para que haja evolução dos materiais das ferramentas, tornando-as mais resistentes aos fenômenos prejudiciais que ocorrem durante o processo de usinagem. (MACHADO et al., 2009) Existem vários fatores que influenciam no desgaste da ferramenta, no entanto pode-se dividi- los em dois grandes grupos: fenômenos de origem mecânica (física) e fenômenos de origem térmica. De acordo com Diniz; Marcondes e Coppini (2006), os principais tipos de desgastes e suas causas são:
  29. 29. 28 • Desgaste de flanco: ocorre devido ao contato entre a ferramenta e peça, na superfície de folga da ferramenta. • Desgaste de cratera: ocorre na superfície de saída da ferramenta e acontece devido ao atrito entre cavaco e superfície de saída, principalmente quando a ferramenta não possui boa resistência ou não possui revestimento. • Deformação plástica da aresta de corte: é causada devido a um aumento da temperatura e da pressão de usinagem, ocorre na ponta da ferramenta e normalmente provocam dificuldades no controle do cavaco e anomalias no acabamento superficial da peça. • Trincas: podem ser de origem mecânica ou térmica e normalmente são causadas devido a uma variação brusca da temperatura ou da pressão. Essas variações são bastante comuns no corte interrompido. • Lascamento: ocorre principalmente quando a ferramenta é construída de materiais de baixa resistência ou quando a aresta de corte é muito frágil. É caracterizado pelo desprendimento de uma parcela considerável da ferramenta. • Quebra: é o defeito causado pelo aumento de todas as anomalias citadas anteriormente, no entanto podem ocorrer quebras sem que ocorra anteriormente outra falha, nesses casos podem ser justificadas por falhas construtivas da ferramenta ou por aplicações indevidas. • Aderência: o fenômeno da aderência está presente na formação da aresta postiça de corte, APC, no entanto nem sempre é necessária a formação da mesma para que haja algum tipo de desgaste por aderência, pois mesmo quando pequenas porções do material da peça se unem por aderência à ferramenta, quando arrancados levam consigo parte da aresta de corte. • Oxidação: a maioria dos metais sofre oxidação quando expostos a elevadas temperatura e a presença de ar e água, presente na composição dos fluidos de corte. Alguns óxidos, por serem frágeis ou porosos são removidos facilmente da superfície da ferramenta gerando desgaste, no entanto outros são bastante resistentes e desejados na composição das ferramentas. • Aresta postiça de corte: ocorre em baixas velocidades de corte e é uma superfície de contato que se forma entre o cavaco e a superfície de saída da ferramenta. A aresta postiça de corte, APC, normalmente diminui os esforços de corte, no entanto reduzem consideravelmente a qualidade superficial da peça e também pode ser responsável pelo desprendimento de material da ferramenta quando a mesma é arrancada.
  30. 30. 29 • Abrasão: A abrasão é uma das principais causas de desgastes das ferramentas. Entre os problemas causados pelo atrito estão: o desgaste frontal e o desgaste de cratera que ocorrem devido ao contato de partículas duras do material, que encontram uma ferramenta fragilizada pela temperatura. • Difusão: a difusão é a troca de átomos entre dois materiais em estado sólido. Esse fenômeno ocorre devido a um aumento da temperatura e a um tempo de exposição elevado. Essa troca de átomos pode criar na superfície da ferramenta ligas metálicas menos resistentes que a original. Na Tabela 3.7 tem-se um resumo dos desgastes e anomalias, suas possíveis causas e ações para minimização. Tabela 3.7 Principais tipos de desgaste. Fonte: DINIZ; MARCONDES e COPPINI, (2006). Tipo de Desgaste e/ou Anomalia Possíveis Causas Ações para Minimização Desgaste de Flanco • Velocidade de corte muito alta ou muito baixa (se a causa for presença de APC). • Resistência ao desgaste insuficiente da ferramenta. • Abrasão. • Aresta postiça de corte • Redução da Velocidade de corte. • Seleção de classe de ferramentas mais resistente ao desgaste. • Aumento da velocidade de corte se o desgaste for causado pela APC. Desgaste de Entalhe • Oxidação. Com agentes antioxidantes, • Redução da velocidade de corte • Seleção de fluido de corte Desgaste de Cratera • Difusão Que possua cobertura de óxido de alumínio • Seleção de classe de ferramenta Deformação Plástica • Altas temperaturas combinadas com altas pressões na região de corte. • Seleção de classe de ferramenta com maior dureza a quente • Redução da velocidade de corte Trincas de origem mecânica • Variação excessiva de esforços na aresta de corte • Seleção de uma classe de ferramenta mais tenaz. • Redução do avanço. • Suavização do primeiro contato da ferramenta com a peça. • Aumento da estabilidade Trincas de origem térmica • Excessiva variação de temperatura • Seleção de uma classe de ferramenta mais tenaz. • Aplicação de fluido de corte em abundancia ou não-aplicação. Lascamento • Classe de ferramenta muito frágil. • Geometria da ferramenta muito fraca. • Choque da ferramenta com a peça. • Seleção de uma classe de ferramenta mais tenaz. • Aumento do ângulo de ponta, raio de ponta e/ou do ângulo de cunha (chanframento de aresta). • Suavização do primeiro contato da ferramenta com a peça.
  31. 31. 30 A Figura 3.13 mostra o efeito da temperatura de corte e, consequentemente da velocidade de corte e avanço, sobre os mecanismos de desgaste. Nota-se que sob baixas temperaturas apenas adesão e abrasão são significativas. Entretanto, à medida que a temperatura aumenta (alta velocidade de corte), o desgaste da ferramenta cresce exponencialmente devido principalmente ao desgaste por difusão e oxidação. Figura 3.13 Desgaste da ferramenta em função da temperatura. Fonte: KOPAC et al. (2001).
  32. 32. 31 4 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A seguir serão apresentados os equipamentos, os materiais e os métodos adotados neste trabalho. 4.1 - Equipamentos e Materiais Os testes serão realizados em um centro de usinagem Romi, modelo Discovery 560, com potência de 9 kW e rotação máxima de 7500 rpm, mostrado na Figura 4.1. Figura 4.1 Centro de usinagem Romi, modelo Discovery 560. A ferramenta a ser utilizada é uma fresa de topo com 16 mm de diâmetro, modelo Sandvik R390-016A16L-11L (vide Anexo I), equipada com pastilhas de metal duro revestido, modelo Sandvik R390-11 T3 12E-PM 1010 (vide Anexo II). Para a medição da temperatura do cavaco foi utilizada uma câmera infravermelho Raytek, modelo Marathon MM com diâmetro focal de 1,9 mm a 300 mm de distância e faixa de operação de 300 a 1100°C (Figura 4.2).
  33. 33. 32 Figura 4.2 Câmera infravermelho Raytek, modelo Marathon MM (adaptado pelo autor). Para aquisição dos valores de corrente elétrica consumida pelos motores do eixo principal (rotação) e do eixo de avanço (eixo X) foi utilizada uma placa de comunicação Siemens, modelo CP5611, ligada diretamente ao centro de usinagem. Após a realização de cada teste, uma pequena quantidade de cavacos foi recolhida e analisada em um microscópio Olympus conectado a uma câmera CCD e esta a um computador (Figura 4.3). Figura 4.3 Microscópio utilizado para registro dos cavacos adquiridos durante os ensaios. Como corpo de prova foi utilizada uma barra de aço ABNT D2, com dureza média de 185 HV, obtidas por meio de um durômetro de rebote da marca Time modelo TH 130, (média de cinco medições realizadas na região usinada). Este corpo de prova apresentava as seguintes dimensões iniciais: 250 x 210 x 130 mm e foi fixado à mesa do centro de usinagem por meio de duas garras fixas, que serviram de apoio à duas garras expansíveis.
  34. 34. 33 4.2 – Métodos Após a fixação do corpo de prova no centro de usinagem, a câmera infravermelha foi montada no cabeçote da máquina de forma a permitir o ajuste do foco do equipamento a 300mm da aresta da ferramenta. O alvo da câmera foi posicionado no raio de ponta da ferramenta, na região de saída dos cavacos como mostra a Figura 4.4. Foi utilizada uma emissividade de 0,8, conforme recomendação do manual da câmera infravermelha RAYTEK (2007). Foi realizado corte discordante e a ferramenta foi montada com um balanço de 80 mm, (Figura 4.4). Figura 4.4 (a) Montagem da fresa no centro de usinagem e da câmera infravermelha. (b) Ponto de medição da temperatura na superfície de saída da ferramenta. (c) Esquema da montagem experimental. Foram definidos previamente dois níveis para cada um dos fatores analisados: velocidade de corte (vc), avanço (f), profundidade de usinagem (ap) e penetração de trabalho (ae), como mostrado na Tabela 4.1.
  35. 35. 34 Tabela 4.1: Valores pré-definidos para os parâmetros de corte. Nível Veloc. de corte vc [m/min] Avanço f [mm/rot] Prof. de usinagem ap [mm] Penetr. de trabalho ae [mm] - 60 0,1 1,0 4,0 + 120 0,2 2,0 8,0 Esses valores foram lançados no “software” Minitab (versão 15) que fez um arranjo aleatório dos parâmetros, definindo assim a ordem em que os ensaios seriam realizados. Cada ensaio foi realizado duas vezes e também foram realizadas quatro réplicas com os valores intermediários de cada um dos fatores (vc = 90 m/min, f = 0,15 mm/rot, ap = 1,5 mm e ae = 6 mm), totalizando 36 testes. 4.2.1- Aquisição da temperatura Com a câmera focalizada na superfície de saída da ferramenta e ligada ao computador e ainda com o auxilio do “software” Data Temp Multidrop 5.3.1, foram coletados os dados. A Tabela 2.2 apresenta uma amostra do formato da aquisição, que variou de 13 a 70 pontos de medição em função da duração do ensaio. As siglas Tobj, Tint e Trg significam respectivamente: temperatura do objeto, temperatura ambiente medida pela câmera e valor de temperatura programado a partir do qual o sistema começa a armazenar os valores medidos. Tabela 4.2: Exemplo de aquisição da temperatura. 02/05/2012 Tobj Tint Trg Tempo °C °C °C 16:09:21 396,8 35,2 0 16:09:22 414,6 35,2 0 16:09:23 416,8 35,2 0 16:09:24 457,3 35,2 0 16:09:25 438,0 35,2 0 Como as amostras da temperatura apresentaram populações que variavam de 13 a 70 pontos, optou-se por calcular o valor médio das dez maiores temperaturas encontradas em cada
  36. 36. 35 experimento, pois em uma análise preliminar dos dados, foi o arranjo que apresentou melhor comportamento no gráfico de distribuição normal, histograma, gráfico de resíduos versus valores ajustados e no gráfico de resíduos versus sequência de testes, todos obtidos por meio do software Minitab. 4.2.2 – Aquisição da corrente elétrica Com a placa instalada no centro de usinagem e com o auxílio de um software foram coletados os dados referentes à corrente elétrica consumida pelos motores responsáveis pelos movimentos de corte e de avanço. Os valores coletados são o percentual da corrente nominal do motor (17 A para o eixo principal e 4,3 A para o eixo de avanço). Foram recolhidos 26 pontos para cada ensaio. Analisando os valores da corrente elétrica do eixo principal, verificou-se que as amostras apresentaram elevada dispersão, chegando a 160% dentro da mesma população. Assim, optou-se por utilizar o valor médio de todos os 26 pontos obtidos. De forma similar aos resultados de corrente consumida pelo motor do eixo principal, os valores coletados para o motor responsável pelo movimento de avanço também apresentaram uma acentuada dispersão dentro do mesmo teste. Portanto, com o intuito de tornar esses valores mais homogêneos, a estratégia foi a de utilizar os 10 valores mais elevados. 4.2.3 – Coleta de cavacos Após a realização de cada teste, amostras dos cavacos gerados foram coletadas para posterior registro (por meio do microscópio e câmera CCD) e análise da coloração. Um exemplo dos registros realizados está representado na Figura 4.5.
  37. 37. 36 Figura 4.5 Cavacos recolhidos com a seguinte configuração: vc=90 m/min, f=15 mm/rot, ap=1,5 mm e ae=6 mm.
  38. 38. 5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste capítulo serão apresentados os resultados encontrados durante os testes, com uma análise crítica de com a configuração de 95% de nível de confiança. resultados de temperatura do cavaco e corrente elétrica consumida. 5.1 – Temperatura A Figura 5.1 mostra a distribuição dos resultados encontrados durante as medições de temperatura e seus resíduos. Figura 5.1 Análise dos dados referentes à t Histograma; (c) Gráfico de resíduos sequência de testes. a) b) RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste capítulo serão apresentados os resultados encontrados durante os testes, destes. Todos os gráficos foram gerados pelo “software” Minitab, com a configuração de 95% de nível de confiança. O Apêndice I apresenta uma tabela com os resultados de temperatura do cavaco e corrente elétrica consumida. distribuição dos resultados encontrados durante as medições de temperatura e seus resíduos. Figura 5.1 Análise dos dados referentes à temperatura: (a) Gráfico de distribuição normal; (b) ráfico de resíduos versus valores ajustados; (d) Gráfico de resíduos versus c) d) 37 Neste capítulo serão apresentados os resultados encontrados durante os testes, juntamente gráficos foram gerados pelo “software” Minitab, O Apêndice I apresenta uma tabela com os distribuição dos resultados encontrados durante as medições de co de distribuição normal; (b) ráfico de resíduos versus
  39. 39. Pode-se observar que o gráfico de probabilidade apresenta uma boa linearidade com a curva de tendência. O uma maior concentração de valores no ponto central. O ajustados (Figura 5.1c) ficou bem distribuído, sem a presença de linha de tendência e com baixas amplitudes e o gráfico apresentou boa distribuição, com poucos picos e com baixa amplitude, essas características mostram que os valores coletados são coerentes para as próximas avaliações. A Figura 5.2 mostra o gráfico de linha vermelha que representa a significância de 5% temperatura individualmente f*ae (BD) e vc*ap*ae (ACD). decrescente foram: velocidade de corte (A), profundidade de usinagem (C), penetração de trabalho (D) e avanço (B). Figura 5.2 Gráfico de Pareto se observar que o gráfico de probabilidade de distribuição normal (Figura 5.1a) ridade com a curva de tendência. O histograma ção de valores no ponto central. O gráfico de resíduos versus valores ficou bem distribuído, sem a presença de linha de tendência e com aixas amplitudes e o gráfico de resíduos versus sequência de testes (Figura 5 apresentou boa distribuição, com poucos picos e com baixa amplitude, essas características mostram que os valores coletados são coerentes para as próximas avaliações. Figura 5.2 mostra o gráfico de Pareto para temperatura do cavaco, no qual linha vermelha que representa a significância de 5%. Nota-se que todos os fatores afetam a temperatura individualmente, além das seguintes interações: vc*f (AB), a (ACD). Isoladamente os parâmetros mais influentes, em ordem decrescente foram: velocidade de corte (A), profundidade de usinagem (C), penetração de Pareto dos efeitos padronizados para a temperatura 38 de distribuição normal (Figura 5.1a) histograma (Figura 5.1b) mostra de resíduos versus valores ficou bem distribuído, sem a presença de linha de tendência e com ncia de testes (Figura 5.1d) também apresentou boa distribuição, com poucos picos e com baixa amplitude, essas características mostram que os valores coletados são coerentes para as próximas avaliações. , no qual se observa uma se que todos os fatores afetam a *f (AB), ap*ae (CD), f*ap (BC), ais influentes, em ordem decrescente foram: velocidade de corte (A), profundidade de usinagem (C), penetração de para a temperatura.
  40. 40. 39 A Figura 5.3 mostra como cada um desses parâmetros afeta individualmente a temperatura do cavaco, enquanto a Figura 5.4 mostra a influência das interações dos parâmetros, arranjados dois a dois. Figura 5.3 Gráfico de efeitos principais para temperatura. As curvas de tendência para velocidade de corte, profundidade de usinagem e penetração de trabalho apresentaram comportamento esperado, isto é, a temperatura é proporcional à elevação desses parâmetros. No entanto, o gráfico referente ao avanço apresentou um comportamento inesperado, pois neste caso também se previa um aumento da temperatura com a elevação do avanço, mas isso não se confirmou, não obstante este mesmo resultado foi encontrado por RIBEIRO (2007). Uma provável explicação para esse comportamento pode ser atribuída ao aumento da distância da fonte de calor ao ponto de medição com a elevação do avanço, o que pode proporcionar uma maior dissipação de calor e a detecção de temperaturas mais baixas na superfície do cavaco. No caso do aumento da velocidade de corte pode-se dizer que mais energia é fornecida ao sistema e uma maior parcela dessa energia é transformada em calor, o qual é dissipado no cavaco. Já o aumento da profundidade de usinagem e da penetração de trabalho proporcionam
  41. 41. 40 o aumento do volume de material usinado e da área de contato da ferramenta com o corpo de prova, que por sua vez aumenta o atrito, causando o aumento da temperatura do cavaco. Observa-se na Figura 5.4 que a única interação cuja temperatura diminuiu com o aumento dos parâmetros foi a interação entre a velocidade de corte e o avanço. Pode-se, portanto dar a este caso a mesma explicação do aumento apenas do avanço. As interações da velocidade de corte com a profundidade de usinagem e a penetração de trabalho não foram avaliadas, pois como mostrado no gráfico de Pareto (Figura 5.2), essas não são significativas para um nível de confiança de 95%. Figura 5.4 Gráfico das interações entre parâmetros, dois a dois. As interações do avanço com a profundidade de usinagem e a penetração de trabalho se mostraram proporcionais ao aumento dos parâmetros, devido principalmente ao aumento da área da seção de corte. Por esse mesmo motivo o aumento dos parâmetros profundidade de usinagem e a penetração de trabalho, simultaneamente, também proporcionam um aumento da temperatura.
  42. 42. 5.2 – Corrente elétrica 5.2.1 – Corrente elétrica consumida pel A Figura 5.5 mostra a distribuição dos resultados encontrados durante as medições da corrente consumida no motor usinagem. Figura 5.5 Análise dos dados referentes à Corrente consumida no eixo Principal. de distribuição normal; (b) H Gráfico de resíduos versus Pode-se observar que o gráfico de probabilidade apresenta poucas divergências com a linha de tendência, o histograma esperado, mostra uma maior concentra valores ajustados (Figura 5.5c) a) b) Corrente elétrica consumida pelo motor do eixo principal A Figura 5.5 mostra a distribuição dos resultados encontrados durante as medições da corrente consumida no motor do eixo principal (movimento de rotação) lise dos dados referentes à Corrente consumida no eixo Principal. de distribuição normal; (b) Histograma; (c) Gráfico de resíduos versus valores ajustados; (d) ráfico de resíduos versus sequência de testes. se observar que o gráfico de probabilidade de distribuição normal (Figura 5.5a) apresenta poucas divergências com a linha de tendência, o histograma esperado, mostra uma maior concentração na faixa central, o gráfico de resíduos versus valores ajustados (Figura 5.5c) apresentou uma boa distribuição, com poucos pontos longe da c) d) 41 A Figura 5.5 mostra a distribuição dos resultados encontrados durante as medições da (movimento de rotação) do centro de lise dos dados referentes à Corrente consumida no eixo Principal. (a) Gráfico versus valores ajustados; (d) de distribuição normal (Figura 5.5a) (Figura 5.5b), como o ção na faixa central, o gráfico de resíduos versus apresentou uma boa distribuição, com poucos pontos longe da
  43. 43. linha central e sem a presença de linha de tendência e o de testes (Figura 5.5d) também apresentou boa distribuição com poucos picos. Analisando a Figura 5.6 pode interferem individualmente na corrente elétrica consumida no motor do ei de um nível de confiança de 95% relevante. Figura 5.6 Gráfico de Pareto motor do eixo principal. Os fatores mais influentes, em ordem decrescente, sã penetração de trabalho (D), velocidade de corte (A) e A Figura 5.7 mostra como cada um desses parâmetros eixo principal individualm corrente consumida pelo eixo principal c pelo fato do aumento da velocidade de corte elevar a temperatura de corpo de prova menos resistente ao cisalhamento operação. linha central e sem a presença de linha de tendência e o gráfico de resíduos também apresentou boa distribuição com poucos picos. Analisando a Figura 5.6 pode-se verificar que os quatro fatores testados (v interferem individualmente na corrente elétrica consumida no motor do ei de um nível de confiança de 95%. Mas ao contrário da temperatura, nenhuma das interações é Gráfico de Pareto dos efeitos padronizados para a corrente elétrica consu mais influentes, em ordem decrescente, são: profundidade de usinagem (C), penetração de trabalho (D), velocidade de corte (A) e avanço (B). A Figura 5.7 mostra como cada um desses parâmetros afeta a corrente consumida no motor do eixo principal individualmente. Nota-se um comportamento inversamente propo corrente consumida pelo eixo principal com o aumento da velocidade de corte. I da velocidade de corte elevar a temperatura de menos resistente ao cisalhamento, reduzindo assim a energia gasta na 42 gráfico de resíduos versus sequência também apresentou boa distribuição com poucos picos. se verificar que os quatro fatores testados (vc, f, ap e ae) interferem individualmente na corrente elétrica consumida no motor do eixo principal dentro nenhuma das interações é corrente elétrica consumida no o: profundidade de usinagem (C), a corrente consumida no motor do se um comportamento inversamente proporcional da m o aumento da velocidade de corte. Isso se explica usinagem, tornando o , reduzindo assim a energia gasta na
  44. 44. 43 O aumento do avanço proporciona um maior consumo de corrente elétrica do eixo principal. Isso se dá pelo aumento de volume de material retirado por cada inserto da ferramenta em uma volta e também explica o comportamento da corrente elétrica consumida pelo eixo principal quando relacionada à profundidade de usinagem e penetração de trabalho. Figura 5.7 Gráfico de efeitos principais para a corrente elétrica pelo motor do eixo principal. 5.2.2 – Corrente elétrica consumida pelo motor de avanço A Figura 5.8 mostra a distribuição dos resultados encontrados durante as medições da corrente consumida pelo motor responsável pelo movimento de avanço.
  45. 45. Figura 5.8 Analise dos dados referentes à c Gráfico de distribuição normal; (b) Histograma; (c) G ajustados; (d) Gráfico de resíduos versus Pode-se observar que o gráfico de distribuição normal (Figura 5.8a) linearidade, no entanto os pontos não se afas (Figura 5.8b) mostra uma maior concentração no ponto central, contudo a col atingiu a frequência esperada, 5.8c) ficou bem distribuído e sem a presença de linha de tendência e o versus sequência de testes (Figura 5.8c) negativos, o que não é desejável. O gráfico de Pareto apresentado na Figura 5.9 mostra que os parâmetros avaliados afetam o valor da corrente consumida às interações ultrapassou o nível a) b) Analise dos dados referentes à corrente consumida pelo motor co de distribuição normal; (b) Histograma; (c) Gráfico de resíduos ráfico de resíduos versus sequência de testes. gráfico de distribuição normal (Figura 5.8a) não apresenta uma boa linearidade, no entanto os pontos não se afastam muito da curva de tendência. O mostra uma maior concentração no ponto central, contudo a col atingiu a frequência esperada, enquanto o gráfico de resíduos versus valores ajustados (Figura ficou bem distribuído e sem a presença de linha de tendência e o de testes (Figura 5.8c) apresentou alternância de resultados positivos e negativos, o que não é desejável. apresentado na Figura 5.9 mostra que os parâmetros avaliados afetam o valor da corrente consumida apenas individualmente, ou seja, nenhum dos valores referentes o nível de confiança de 95%. c) d) 44 pelo motor de avanço. (a) ráfico de resíduos versus valores não apresenta uma boa tam muito da curva de tendência. O histograma mostra uma maior concentração no ponto central, contudo a coluna central não gráfico de resíduos versus valores ajustados (Figura ficou bem distribuído e sem a presença de linha de tendência e o gráfico de resíduos ternância de resultados positivos e apresentado na Figura 5.9 mostra que os parâmetros avaliados afetam o nenhum dos valores referentes
  46. 46. Velocidade de corte (A), penetração de trabalho (D), profundidade de usinagem (C) e (B) são, nesta ordem, os fatores mais influentes sobre a corrente consumida pelo motor de avanço. Figura 5.9 Gráfico de Pareto motor do eixo de avanço. A Figura 5.10 mostra como cada um desses parâmetros consumida pelo motor de avanço mesmo registrado para o consumo de corrente elétrica no eixo principal, não obstante pode afirmar que os motivos para tanto também são os mesmos. Velocidade de corte (A), penetração de trabalho (D), profundidade de usinagem (C) e nesta ordem, os fatores mais influentes sobre a corrente consumida pelo motor de Gráfico de Pareto dos efeitos padronizados para corrente elétrica consumida no A Figura 5.10 mostra como cada um desses parâmetros afeta, individualmente, de avanço. Pode-se observar que o comportamento desses gráficos é o mesmo registrado para o consumo de corrente elétrica no eixo principal, não obstante pode afirmar que os motivos para tanto também são os mesmos. 45 Velocidade de corte (A), penetração de trabalho (D), profundidade de usinagem (C) e avanço nesta ordem, os fatores mais influentes sobre a corrente consumida pelo motor de para corrente elétrica consumida no individualmente, a corrente ento desses gráficos é o mesmo registrado para o consumo de corrente elétrica no eixo principal, não obstante pode-se
  47. 47. 46 Figura 5.10 Gráfico de efeitos principais para a corrente elétrica no motor de deslocamento do eixo de avanço. Entretanto, nota-se que os fatores não apresentam a mesma importância sobre a corrente elétrica consumida pelos motores do eixo principal e de avanço, como mostrado na Tabela 5.1. Apesar do aumento dos dois parâmetros, ap e ae, proporcionarem o aumento da área de contato e da taxa de remoção de material, fazem isto em direções diferentes, tal fato explica a geração de componentes de força também em diferentes direções, portanto os parâmetros têm importâncias distintas sobre a força de usinagem. Tabela 5.1: Ordem de influência dos fatores no consumo da corrente elétrica pelo motor principal e de avanço. Motor principal Motor de avanço 1º ap vc 2 º ae ae 3 º vc ap 4 º F F
  48. 48. 5.3 – Cavacos Na Figura 5.11 está representado como a alteração da velocidade de corte características do cavaco. Figura 5.11 Efeitos da velocidade de corte nas ca mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap mm e ae = 4 mm; (c) vc = 60 mm/min, f = 0,1 mm/ mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap Observa-se nas Figuras 5.11a, 5.11b, 5.11c e 5.11d altera as dimensões do cavac da cor amarelada para azul bem forte, o que evidencia o aumento da temperatura de usinagem. representado como a alteração da velocidade de corte Figura 5.11 Efeitos da velocidade de corte nas características físicas do cavaco p = 1 mm e ae = 4 mm; (b) vc = 120 mm/min, f = 0,1 mm/ = 60 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 1 mm e ae p = 1 mm e ae = 8 mm. nas Figuras 5.11a, 5.11b, 5.11c e 5.11d que o aumento da velocidade de altera as dimensões do cavaco, no entanto, nota-se uma variação na sua para azul bem forte, o que evidencia o aumento da temperatura de usinagem. 47 representado como a alteração da velocidade de corte afeta as racterísticas físicas do cavaco: (a) vc = 60 = 120 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 1 = 8 mm; (d) vc = 120 que o aumento da velocidade de corte não sua coloração, passando para azul bem forte, o que evidencia o aumento da temperatura de usinagem.
  49. 49. Na Figura 5.12 o valor do avanço é alterado enquanto os demais fixos. Assim é possível observar o efeito cavaco. Figura 5.12 Efeitos do avanço nas caracterí 0,1 mm/rot, ap = 2 mm e ae mm; (c) vc = 60 mm/min, f = 0,1 mm/ mm/rot, ap = 2 mm e ae = 4 mm Não foram observadas diferenças aumento do avanço, exceto pelo pequeno aumento em de material removido por inserto a cada revolução. Na Figura 5.13 observam- características físicas do cavaco, enquanto os demais parâmetros são fixados. Na Figura 5.12 o valor do avanço é alterado enquanto os demais parâmetros são mantidos observar o efeito do aumento do avanço sobre as Figura 5.12 Efeitos do avanço nas características físicas do cavaco: (a) v e = 8 mm; (b) vc = 60 mm/min, f = 0,2 mm/rot = 60 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 2 mm e ae = 4 mm; (d) vc = 4 mm. diferenças consideráveis nas características dos aumento do avanço, exceto pelo pequeno aumento em sua espessura devido ao de material removido por inserto a cada revolução. -se os efeitos do aumento da profundidade de usinagem sobre as características físicas do cavaco, enquanto os demais parâmetros são fixados. 48 parâmetros são mantidos sobre as características do : (a) vc = 60 mm/min, f = rot, ap = 2 mm e ae = 8 c = 60 mm/min, f = 0,2 nas características dos cavacos devido ao espessura devido ao maior volume se os efeitos do aumento da profundidade de usinagem sobre as características físicas do cavaco, enquanto os demais parâmetros são fixados.
  50. 50. Figura 5.13 Efeitos da profundidade de usinagem nas características físic = 120 mm/min, f = 0,2 mm/ ap = 2 mm e ae = 8 mm; (c) v 120 mm/min, f = 0,2 mm/rot Pode-se verificar uma mudança significativa na coloração dos cavacos profundidade de usinagem (Figura um aumento na temperatura de usinagem. usinagem altera as dimensões dos cavacos Na Figura 5.14 o valor da penetração de trabalho é alterado enquanto os demais parâmetros são mantidos fixos, para características do cavaco. Figura 5.13 Efeitos da profundidade de usinagem nas características físic = 120 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 1 mm e ae = 8 mm; (b) vc = 120 mm/min, f = 0,2 mm/ = 8 mm; (c) vc = 120 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 1 mm e a rot, ap = 2 mm e ae = 4 mm. se verificar uma mudança significativa na coloração dos cavacos profundidade de usinagem (Figuras 5.13a e 5.13b e Figuras 5.13c e 5.13d) ento na temperatura de usinagem. Nota-se também que o aumento da profundidade de usinagem altera as dimensões dos cavacos, tornando-os mais largos. Na Figura 5.14 o valor da penetração de trabalho é alterado enquanto os demais parâmetros são mantidos fixos, para permitir a observação dos efeitos de seu aumento sobre as 49 Figura 5.13 Efeitos da profundidade de usinagem nas características físicas do cavaco: (a) vc = 120 mm/min, f = 0,2 mm/rot, = 1 mm e ae = 4 mm; (d) vc = se verificar uma mudança significativa na coloração dos cavacos com o aumento da 5.13c e 5.13d), o que evidencia se também que o aumento da profundidade de Na Figura 5.14 o valor da penetração de trabalho é alterado enquanto os demais parâmetros dos efeitos de seu aumento sobre as
  51. 51. Figura 5.14 Efeitos da penetração de trabalho nas car 120 mm/min, f = 0,1 mm/rot = 2 mm e ae = 8 mm; (c) vc mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap Não se nota alteração na coloração dos cavacos com o aumento da penetração de trabalho, contudo se percebe um considerável aumento no comprimento. As Figuras 5.11 a 5.14 refletem a importância dos parâmetros sobre a temperatura do cava mostrada no gráfico da Figura 5.2, isto é, os fatores mais influentes segundo o gráfico de Pareto (Vc e ap) promoveram alteração na coloração dos cavacos, ao passo que os fatores menos influentes (ae e f) não causaram esta alteração. Figura 5.14 Efeitos da penetração de trabalho nas características físicas do cavaco rot, ap = 2 mm e ae = 4 mm; (b) vc = 120 mm/min, f = 0,1 mm/ c = 60 mm/min, f = 0,2 mm/rot, ap = 1 mm e a p = 1 mm e ae = 8 mm. Não se nota alteração na coloração dos cavacos com o aumento da penetração de trabalho, contudo se percebe um considerável aumento no comprimento. 5.14 refletem a importância dos parâmetros sobre a temperatura do cava mostrada no gráfico da Figura 5.2, isto é, os fatores mais influentes segundo o gráfico de ) promoveram alteração na coloração dos cavacos, ao passo que os fatores e f) não causaram esta alteração. 50 acterísticas físicas do cavaco: (a) vc = = 120 mm/min, f = 0,1 mm/rot, ap = 1 mm e ae = 4 mm; (d) vc = 60 Não se nota alteração na coloração dos cavacos com o aumento da penetração de trabalho, 5.14 refletem a importância dos parâmetros sobre a temperatura do cavaco mostrada no gráfico da Figura 5.2, isto é, os fatores mais influentes segundo o gráfico de ) promoveram alteração na coloração dos cavacos, ao passo que os fatores
  52. 52. 51 Tabela 5.2: Resumo dos resultados adquiridos, com a análise individual de cada parâmetro. Velocidade de corte Avanço Profundidade de usinagem Penetração de corte Temperatura do cavaco Corrente Eixo Principal Corrente Eixo de Avanço Na Tabela 5.2 está representado um resumo gráfico dos resultados obtidos nos testes, onde o sentido e a cor das setas indicam como o aumento de cada um dos parâmetros de corte afeta os indicadores estudados, enquanto as dimensões das setas mostram a influência dos parâmetros sobre a temperatura do cavaco e as corentes elétricas consumidas nos motores principal e de avanço.
  53. 53. 52 6 – CONCLUSÃO Após a realização dos testes de fresamento do aço ABNT D2 e a análise dos resultados referentes a temperatura do cavaco, corrente consumida pelos eixos principal e de avanço e coloração dos cavacos, pode-se chegar às seguintes conclusões: Todos os parâmetros analisados: velocidade de corte (vc), avanço (f), profundidade de usinagem (ap) e penetração de trabalho (ae) afetam isoladamente a temperatura do cavaco, a corrente consumida pelo motor do eixo principal e a corrente consumida pelo motor de avanço, dentro de um nível de confiança de 95%, como mostrado na Tabela 8.1. A temperatura do cavaco aumenta com a elevação da velocidade de corte, da profundidade de usinagem e da penetração de trabalho, mas diminui com a elevação do avanço. Além disso, a velocidade de corte foi o fator mais influente sobre a temperatura do cavaco. Os valores de corrente elétrica consumida pelo motor principal e pelo motor de avanço aumentam com a elevação do avanço, da profundidade de usinagem e da penetração de corte e diminuem com o aumento da velocidade de corte, essa redução ocorre devido a um aumento da temperatura de usinagem e consequente redução na resistência ao cisalhamento do material usinado. O fator mais influente no valor da corrente consumida pelo motor, no caso do eixo principal, foi a profundidade de usinagem, enquanto no eixo de avanço o fator mais influente foi a velocidade de corte. A coloração do cavaco foi alterada pela elevação da velocidade de corte e da profundidade de corte, passando de amarelada para azul escura, o que não ocorreu com o aumento da penetração de trabalho e avanço, reforçando assim, os resultados encontrados na medição da temperatura do cavaco que mostra uma menor influência desses dois parâmetros na temperatura.
  54. 54. 53 7 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS O método utilizado para a medição da temperatura deve ser aperfeiçoado, pois os resultados encontrados para o aumento do avanço não representaram o que se esperava. Sugere-se, portanto que o foco da câmera seja posicionado mais próximo da fonte de calor, a fim de se evitar dissipações.
  55. 55. 54 8 – REFERÊNCIAS ARIETA, F.; NETTO, E. B. de M. Dureza e resistência ao impacto dos aços ferramenta – Parte 1. Siderurgia Brasil 57. ed. 2008. Disponível em: <http://www.guiadasiderurgia.com.br/novosb/home/144-materias57/1589-dureza-e- resistencia-ao-impacto-dos-acos-ferramenta--parte-1>. Acesso em: 02 Nov. 2011 ARIETA, F.; NETTO, E. B. de M. Dureza e resistência ao impacto dos aços ferramenta – Ultima Parte. Siderurgia Brasil 58. ed. Disponível em: <http://www.siderurgiabrasil.com.br/novosb/component/content/article/145-materias58/1614- dureza-e-resistencia-ao-impacto-dos-acos-ferramenta--ultima-parte>. Acesso em: 02 Nov. 2011 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 122-1, 2. ed. Aços ferramentas - Parte 1: Classificação, designação e composição química. Rio de Janeiro: 2005. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 116-1, 2. ed. Aços- rápido - Parte 1: Classificação, designação e composição química. Rio de Janeiro: 2005. AY, H.; YANG, W. Heat transfer and life of metal cutting tool in turning, International Journal of Heat and Mass Transfer. Great Britain, Elsiver Science Ltd., Vol.41, no.3. pp.613- 623: 1997 BORELLI, J.E.; FRANÇA, C. A.; MEDEIROS, G. C. F.; GONZAGA, A. Análise da Temperatura na Região de Contato entre a Peça e a Ferramenta para o Monitoramento de Condições de Usinagem de Alto Desempenho , CONEM 2000, Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Agosto, 7-11, 2000, Natal, RN, Abstracts p.55, HC9394 (anais em CD- ROM). CARVALHO, S. R.; SILVA, S. M. M. de L.; MACHADO, R. Á.; GILMAR; G. Determinação da Temperatura na Interface Cavaco-Ferramenta a Partir da Modelagem 3D do Conjunto Ferramenta e Porta-Ferramenta. 14° POSMEC - Simpósio do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica – 2004, p. 1. D’ERRICO, G. E. An adaptive system for turning process control based on tool temperature feedback., Journal of Materials Processing Technology, v.78, p. 43-47: 1998.
  56. 56. 55 DINIZ, A. E.; MARCONDES, F. C.; COPPINI, N. L. Tecnologia da usinagem dos materiais, 5. ed. São Paulo: Artliber, 2006. GERDAU – Aços Finos Piratini. Manual de Aços. São Paulo: Catálogo. Disponível em: <http://www.gerdau.com.br/acosfinospiratini> 2003. Acesso em 02 nov. 2011. KOPAC, J.; SOKOVIC, M.; DOLINSEK, S. Tribology of coated tools in conventional and HSC machining. Journal of Materials Processing Technology, vol. 118, p. 377-384: 2001. LONGBOTTOM, J. M.; LANHAM, J. D. Cutting Temperature Measurement While Machining – a Review. Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal. Emerald. v. 77/2. p. 122 – 130, Group Publishing Limited, 2005. MACHADO, Á. R.; ABRÃO, A. M.; COELHO, R. T.; SILVA, M. B. da. Teoria da usinagem dos materiais. São Paulo: Edgard Blücher, 2009. METALS HANDBOOK. Properties and Selection: Irons and Steels. Volume I, 9 th ed. Metals Park, Ohio, USA: American Society for Metals – ASM. 1998. NASCIMENTO, C. H.; COELHO, R. T. Estudo da distribuição de calor na região de corte durante o processo de fresamento ortogonal através do método de elementos finitos. 6º Congresso brasileiro de engenharia de fabricação, Caxias do Sul, 2011. RAYTEK - Marathon MM series high-performance infrared thermometer. Berlin: Catálogo. Disponível em: <http://www.romiotto.com.br/raytek/Manuais/Manual%20MM.pdf> 2007. Acesso em 08 jun. 2012. RIBEIRO, J. L. S. Forças de usinagem no fresamento de aços para matrizes. In XVI Simpósio de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia, 2006. Disponível em: <http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/forcasdeusinagem.asp>. Acesso em: 02 Nov. 2011. RIBEIRO, J. L. S. Fresamento do aço VHS nos estados recozido e temperado com metal duro e cermet. Tese de doutorado; Belo Horizonte, 2007. Disponível em: <http://www.bibliotecadigital.ufmg.br/dspace/bitstream/1843/SBPS-7A2J3P/1/tesefinal.pdf>. Acesso em: 02 Nov. 2011
  57. 57. 56 SANDVIK – Ferramentas rotativas. Brasil: Catálogo. Disponível em: <http://www.sandvik.coromant.com/SiteCollectionDocuments/downloads/global/catalogues/pt- pt/ROT_D.pdf> 2012. Acesso em 08 jun. 2012. SAMPAIO, A. B.; SOUZA, M. N. de; LUIZ, N. E.; SILVA, R. B. da , MACHADO, Á. R. Influência do teor de carbono na usinabilidade do aço ABNT 12L1. In: II ASSEMBLEIA GERAL INSTITUTO FÁBRICA DO MILÊNIO, 2008, Campinas - SP. Disponível em: <http://www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/4552-influncia-do-teor-de-carbono-na- usinabilidade-do-ao-abnt-12l1>. Acesso em: 15 nov. 2011. SHAW, M.C. Metal Cutting Principles, Oxford University Press. 594p, 1984. SMITH, W. F. Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. 3. ed. Lisboa: McGraw-Hill, 1998. SOLOMAN, S.(1998). Sensors handbook, USA, McGraw-Hill. ISBN: 0-07-059630-1 TOH, C. K., Comparison of chip surface temperature between up and down milling orientations in high speed rough milling of hardened steel, Journal of Materials Processing Technology, v. 167, p. 110–118: 2005. TRENT, E.M.; WRIGHT, P. K., “Metal Cutting”, 2ª ed., Butterworth-Heinemann, Woburn, USA, 2000. WEST YORKSHIRE STEEL COMPANY LTD. Reino Unido, 2008. Disponível em: http://www.westyorkssteel.com/D2.html. Acesso: 20 de maio de 2012.
  58. 58. 57 9 – ANEXOS Anexo I – Especificação da fresa de topo utilizada (Sandvik, 2012).
  59. 59. 58 Anexo II – Especificação das pastilhas de metal duro utilizadas. (Sandvik, 2012).
  60. 60. 59 10 – APÊNDICES Apêndice I – Tabela de resultados Teste vc f ap ae Temperatura Corrente (Eixo principal) Corrente (Eixo avanço) mm/min mm/rot mm mm °C A A 1 60 0,2 2 4 419,54 0,632543 0,221369 2 120 0,2 2 8 459,51 0,6726 0,232828 3 120 0,2 1 4 413,41 0,444777 0,210073 4 60 0,1 1 4 395,81 0,430325 0,21124 5 90 0,15 1,5 6 465,45 0,34949 0,232847 6 60 0,2 2 8 443,65 0,820877 0,274077 7 60 0,1 2 4 449,54 0,449409 0,220665 8 60 0,1 2 8 472,13 0,519516 0,247374 9 120 0,1 2 4 477,18 0,440077 0,189275 10 60 0,1 1 4 397,71 0,416514 0,219006 11 120 0,1 1 8 491,05 0,443801 0,205229 12 120 0,2 2 8 464,47 0,543401 0,2548 13 120 0,2 1 8 459,15 0,470945 0,21388 14 60 0,2 1 4 411,59 0,430135 0,208617 15 60 0,1 2 8 483,17 0,650145 0,265294 16 120 0,2 2 4 473,33 0,469032 0,223967 17 60 0,2 1 8 434,71 0,495603 0,250116 18 120 0,1 2 4 504,72 0,476269 0,179662 19 120 0,2 1 4 421,34 0,367861 0,22315 20 60 0,1 1 8 429,85 0,481206 0,231654 21 60 0,2 2 4 435,24 0,58397 0,278448 22 120 0,1 2 8 499,06 0,500182 0,227443 23 60 0,1 2 4 422,61 0,517928 0,231656 24 120 0,2 2 4 475,05 0,478582 0,230123 25 120 0,1 1 8 480,2 0,429614 0,223467 26 60 0,2 1 8 435,01 0,564695 0,233508 27 60 0,2 2 8 452,72 0,567545 0,274418 28 60 0,1 1 8 437,3 0,477721 0,235073 29 90 0,15 1,5 6 468,82 0,499115 0,28299 30 90 0,15 1,5 6 449,98 0,495972 0,271855 31 120 0,2 1 8 464,06 0,458499 0,215063 32 120 0,1 1 4 447,5 0,364063 0,188731 33 120 0,1 2 8 518,24 0,462586 0,215754 34 90 0,15 1,5 6 460,68 0,529774 0,257606 35 60 0,2 1 4 417,44 0,443327 0,210275 36 120 0,1 1 4 446,9 0,336075 0,214031

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