Modelagem e simulação das forças na furação com brocas helicoidais a partir de dados obtidos no torneamento de segmentos cilíndricos

Abstract

A furação é um processo de usinagem de grande utilização na indústria, e entre as ferramentas utilizadas para execução de furos, a broca helicoidal é a ferramenta mais importante. Apesar das melhorias nestas ferramentas ao longo dos anos, o tempo de circulação de uma peça na fabricação em série é ainda fortemente limitado pela furação. Esse processo de usinagem apresenta dificuldades em seu estudo, já que ocorre no interior da peça e o acesso é bloqueado pela ferramenta, e uma das formas de melhorá-lo é através da modificação da geometria da broca. Considerando as crescentes exigências em relação à produtividade, qualidade e custo dos processos de fabricação, também para a otimização de brocas é crescente a adoção de métodos de modelagem e simulação. Estes métodos surgem como uma forma alternativa e de menor custo para analisar virtualmente as variáveis do processo de furação, como por exemplo, o comportamento das forças durante a usinagem, que por sua vez influenciam a vida da broca e a qualidade do furo obtido, entre outras grandezas. Dentro deste contexto, neste trabalho propõe-se a modelagem e simulação da forças durante o processo de furação, através do emprego de métodos computacionais, aliados a métodos experimentais para verificar a validade dos mesmos. Foram utilizadas informações obtidas no processo de torneamento como base à modelagem do processo de furação, visto que o torneamento é de mais simples compreensão do que a furação. Para isto, foi feita uma segmentação da broca em cilindros com diferentes diâmetros que somados representem a furação em cheio. Os corpos-de-prova com forma cilíndrica são furados e torneados com o objetivo de medir as forças de usinagem, permitindo, no caso da furação, identificar as regiões que sofrem maiores solicitações mecânicas. Da comparação destes resultados, foi gerado um modelo que permite simular as forças no processo de furação a partir de dados obtidos no torneamento. O modelo de força desenvolvido na furação destina-se primeiramente ao melhor entendimento do processo em si, bem como para sua otimização. A proposição de novas geometrias de brocas, diâmetros, revestimentos e materiais de peça poderão ser previamente simuladas e verificadas com relação aos esforços resultantes em região que se estenda do centro da broca até o gume secundário. Para validar o modelo desenvolvido, foram utilizadas diferentes geometrias e diâmetros de broca, bem como diferentes materiais da peça. O modelo, em sua atual concepção, apresentou bons resultados para a força de corte e de avanço quando da furação do aço Ck45 com diferentes diâmetros de broca, mostrando que o efeito de escala nas dimensões da broca são percebidos pelo modelo. A simulação da força de corte utilizando os três diferentes materiais da peça (Ck45, ESP65 e ETG100) também apresentou bons resultados, enquanto que para a força da avanço o mesmo não ocorre, mostrando que os efeitos de melhora de usinabilidade inerentes aos aços ESP65 e ETG100 são mais expressivos na direção de avanço, denotando a importância de se considerar, futuramente, as propriedades mecânicas dos materiais no modelo. Para o alívio do gume transversal os resultados também mostraram o efeito da diferença de usinabilidade entre os aços ensaiados, além do efeito de escala do tamanho do gume transversal que se mostrou dominante nos resultados simulados da força de corte e de avanço. Uma adequação do tamanho do gume transversal com alívio em relação ao da broca Standard se faz necessária.