Relatório seleção de Materiais

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO E CIÊNCIA DO ESPÍRITO SANTO 
 
ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
RELATÓRIO DE SELEÇÃO DE MATERIAIS 
 
 
 
BRUNO DA COSTA IZIDORIO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SÃO MATEUS - 2021 
RESUMO 
Hoje em dia a usinagem de materiais no estado endurecido, também 
chamada de usinagem dura, é um desafio na produção de ferramentas e moldes. 
Apresenta algumas vantagens, como menor tempo de processo e menor custo 
de fabricação quando comparado à usinagem convencional. Na usinagem de 
materiais duros da peça, entretanto, tensões muito altas atuam no porta-
ferramenta através da ferramenta de corte. Essas tensões exigem que o porta-
ferramenta tenha algumas propriedades específicas. Especialmente no 
fresamento duro, o porta-ferramenta deve ter alta rigidez e deve ser capaz de 
dissipar a energia gerada durante o corte interrompido. 
O custo do material do porta-ferramenta também é importante, pois os 
custos mais baixos fornecem uma vantagem competitiva para os fabricantes. A 
seleção do material para o porta-ferramentas deve ser realizada considerando 
os requisitos mencionados acima. Para enfrentar a dificuldade de seleção de 
material com propriedades específicas de um grande número de alternativas, 
métodos de tomada de decisão multicritério (MCDM) têm sido usados. Neste 
trabalho, um modelo de decisão incluindo TOPSIS (técnica para desempenho de 
pedido por similaridade à solução ideal) foi usado para a seleção do melhor 
material para o porta-ferramentas usado no fresamento duro. A ponderação dos 
critérios foi realizada pelo método de ponderação AHP (processo de hierarquia 
analítica). 
Os materiais candidatos foram classificados usando esses métodos e os 
resultados obtidos por cada método foram comparados. Foi confirmado que os 
métodos MCDM podem ser usados para a solução de problemas de seleção de 
materiais em tempo real. Carbeto de tungstênio-cobalto e aço para aeronaves 
Fe-5Cr-Mo-V foram considerados os melhores materiais para a produção de 
porta-ferramentas. Os resultados obtidos são bastante satisfatórios e podem ser 
usados na fase de projeto de operações de usinagem pesada. 
 
 
 
 1. INTRODUÇÃO 
Porta-ferramentas são amplamente usadas em operações de usinagem, 
como torneamento e fresamento, devido à crescente demanda por pastilhas 
intercambiáveis em vez de seus equivalentes de material sólido. No fresamento, 
eles desempenham um papel importante na conexão do fuso e as pastilhas, 
fornecendo o ângulo de inclinação, flanco, radial e axial necessário para as 
pastilhas. Eles trabalham sob tensões de flambagem, flexão e torção no 
fresamento, enquanto apenas a tensão de flexão ocorre no torneamento. 
Essas tensões são extremamente altas, especialmente em operações de 
fresamento duro em que altas forças de corte ocorrem durante o processo de 
corte devido à alta dureza dos materiais da peça (> 50 HRC). Além disso, devido 
à mudança nas forças de corte resultantes do corte intermitente na fresagem, o 
porta-ferramentas deve ter alta rigidez e alta taxa de dissipação de energia. A 
seleção dos materiais que melhor atendem aos requisitos do projeto e 
proporcionam desempenho máximo e custo mínimo é o objetivo do projeto de 
produto ideal. No entanto, algumas situações conflitantes são geralmente 
observadas entre esses objetivos e critérios (ou seja, módulo de Young alto / 
custo baixo ou resistência alta / dureza alta) e há uma necessidade de decidir 
qual propriedade é mais importante do que outras. A fim de resolver o problema 
de seleção de materiais de componentes de engenharia e aumentar a eficiência 
no processo de design, será utilizado o método baseado em multicritérios 
TOPSIS (técnica para desempenho do pedido por semelhança com a solução 
ideal. 
Neste trabalho, portanto, um modelo de avaliação sistemática foi proposto 
para auxiliar a escolha para a seleção de um porta-ferramentas ideal entre um 
conjunto de alternativas disponíveis. Um método de ponderação para 
determinação dos pesos para cada critério foi utilizado, e posteriormente com 
base em soluções ideais e anti-ideais pelo método de TOPSIS foi possível 
determinar o melhor material para o porta-ferramenta, considerando diferentes 
critérios de seleção de materiais. 
 
 
2. DEFINIÇÃO DO PROBLEMA DE TOMADA DE DECISÃO 
Os porta-ferramentas fornecem a conexão do fuso e das pastilhas, 
fornecendo os ângulos de inclinação, flanco, radial e axial necessários para os 
insertos. Devem ter algumas propriedades específicas para manter sua função 
durante a usinagem. Na operação de fresamento, eles estão sujeitos a forças 
que mudam durante o processo de corte. Nas operações de fresagem dos 
materiais em seu estado endurecido (> 50 HRC), essas forças são bastante 
elevadas e podem causar vibrações, deflexão e falha prematura do porta-
ferramenta. 
Figura 1 – Porta Ferramentas 
 
Fonte: www.cimm.com.br 
 
É por isso que o porta-ferramentas devem ter resistência à flexão (se o 
comprimento do balanço do porta-ferramentas for muito longo), à fratura e ter 
alta taxa de dissipação de energia. Para atender a todos esses requisitos, a 
propriedade do material mais importante considerada é o módulo de Young (YM). 
Altos valores de YM são desejados para alta rigidez. A segunda propriedade 
exigida são valores elevados de resistência à compressão (RC) devido às 
tensões compressivas causadas pelas pastilhas ao suporte. As outras 
propriedades importantes, especialmente no fresamento duro, são a tenacidade 
à fratura (TF) e o coeficiente de perda mecânica do material (CPM) para fornecer 
dissipação de energia. Valores elevados dessas propriedades materiais são 
exigidos. O porta-ferramentas também deve ter dureza suficiente (H). Ao 
contrário, existem algumas propriedades como o custo (C), cujos baixos valores 
são desejados. 
Nove materiais alternativos de porta-ferramentas foram levados em 
consideração: 
• Aço AISI 1020 laminado 
• Aço AISI 1040 revenido a 425 C e temperado à água 
• Aço AISI 4140 normalizado 
• Aço AISI 6150 revenido a 315 C e temperado a óleo 
• Aço AISI 8620 normalizado 
• Aço maraging 
• Aço ferramenta AISI S5 (resistente ao choque) revenido a 205 °C 
• Carbeto de tungstênio-cobalto (10%) 
• Aço temperado Fe-5Cr-Mo-V. 
As propriedades exigidas no porta-ferramenta e as alternativas com seus 
dados quantitativos são fornecidas em tabela 1. Os dados quantitativos das 
alternativas foram obtidos no banco de dados do software CES EduPack e seus 
valores médios foram utilizados. 
Tabela 1 – Materiais alternativos e propriedades quantitativas exigidas do porta-ferramenta 
Material 
MY 
(Gpa) 
RC 
(Mpa) 
TF 
(Mpa.m)1/2 
CPM H (HV) C ($/kg) 
AISI 1020 210 330 54,5 0,00111 150 0,673 
AISI 1040 212 632,5 46 0,00117 355 0,7045 
AISI 4140 212 655 87,5 0,000515 305 0,864 
AISI 6150 206,5 1575 38 0,00026 483 1,175 
AISI 8620 206,5 360 111,5 0,00089 190 0,8665 
Aço maraging 187,5 1825 80 0,00071 532,5 6,97 
AISI S5 210 1930 21 0,00002055 771 7,99 
WC - Cobalto 593 4405 14,05 0,00135 1250 79,6 
Fe-5Cr-Mo -V 212,5 1655 120 0,00113 448,5 1,73 
Fonte: Autoria Própria 
3. MÉTODOS DE TOMADA DE DECISÃO MULTICRITÉRIO 
3.1 Método Topsis 
 
O método TOPSIS é usado para obter uma solução que está mais próxima 
da solução ideal e mais distante da solução ideal negativa. O método precisa de 
informações sobre a importância relativa das propriedades que são 
consideradas no processo de seleção. 
 
O método TOPSIS consiste nas seguintes etapas: 
(a) A normalização da matriz de decisão é realizada usando a seguinte Eq. (1): 
 
𝑛𝑖𝑗 = 
𝑥𝑖𝑗
√∑ 𝑥𝑖𝑗
2𝑚
𝑖=1
 
 
(b) As colunas da matriz de decisão normalizada são multiplicadas pelos pesos 
associados, e a matriz de decisão ponderada e normalizada é obtida pela Eq. 
(2): 
𝑉𝑖𝑗 = 𝑛𝑖𝑗𝑤𝑗 
 
(c) As soluções ideal e anti-ideal são determinadas usando as Eqs. (3) e (4) 
respectivamente.𝐴+ = (𝑉1
+, 𝑉2
+, ⋯ , 𝑉𝑛
+) = {(𝑀𝑎𝑥 𝑉𝑖𝑗|𝑗 ∈ 𝐾), (𝑀𝑖𝑛 𝑉𝑖𝑗|𝑗 ∈ 𝐾
′), 𝑖 = 1,2, … , 𝑚} 
 
 𝐴− = (𝑉1
−, 𝑉2
−, ⋯ , 𝑉𝑛
−) = {(𝑀𝑖𝑛 𝑉𝑖𝑗|𝑗 ∈ 𝐾), (𝑀𝑎𝑥 𝑉𝑖𝑗|𝑗 ∈ 𝐾
′), 𝑖 = 1,2, … , 𝑚} 
 
Onde K é o conjunto do índice de critérios de benefícios e K critérios de custo. 
 
(d) As distâncias entre as soluções ideal e anti-ideal são medidas. As duas 
distâncias euclidianas para cada alternativa são calculadas conforme as Eqs. (5) 
e (6), respectivamente: 
 
𝑆𝑖
+ = √∑ (𝑉𝑖𝑗 − 𝑉𝑗
+)
2𝑛
𝑗=1
 
 
𝑆𝑖
− = √∑ (𝑉𝑖𝑗 − 𝑉𝑗
−)
2𝑛
𝑗=1
 
 
(e) A proximidade relativa da solução ideal é calculada conforme mostrado na 
seguinte Eq. (7): 
𝐶𝑖 =
𝑆𝑖
−
𝑆𝑖
+ + 𝑆𝑖
− 
 
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
4.1 Ponderação de Critérios 
 
Em um primeiro momento, os pesos subjetivos dos diferentes critérios de 
avaliação do porta-ferramenta foram obtidos pelo método ponderação. A 
hierarquia de decisão que é composta por três níveis, onde objetivo do processo 
de decisão ocupa o primeiro nível da hierarquia. Os critérios e materiais 
alternativos estão no segundo e terceiro nível da hierarquia, respectivamente. 
Depois de formar a hierarquia de decisão para o problema, os critérios foram 
comparados aos pares com base na experiência do autor. 
 
Os pesos dos critérios (𝑤𝑗) obtidos usando estes comparativos de pares 
são dados em Tabela 2. 
 
Tabela 2 – Pesos dos critérios por processo de hierarquia analítica 
Pesos por critério 
MY (Gpa) RC (Mpa) TF (Mpa.m)1/2 CPM H (HV) C ($/kg) 
0,291 0,079 0,206 0,188 0,098 0,139 
Fonte: Autoria própria 
 
MY(Módulo de Young), TF (Tenacidade a Fratura) e CPM (Coeficiente de 
perda Mecânica) são os três critérios mais importantes, enquanto RC é o menos 
importante, conforme esperado do processo de comparação em pares. A 
indevida adequação dos pesos afeta substancialmente a classificação das 
alternativas, e por consequência a escolha do material impróprio. 
 
4.2 Método de topsis 
 
Na aplicação do método TOPSIS, a matriz de decisão dada em tabela 1 
foi normalizado usando a Eq. (1) e a matriz de decisão normalizada foi 
multiplicada pelos pesos comprometidos obtidos. A matriz de decisão ponderada 
e normalizada, Vij, é dado em Tabela 3. As soluções ideal e anti-ideal, 
determinadas pelas Eqs.(3) e (4), são apresentados em Tabela 4. As distâncias 
da solução ideal (Si+) e solução anti-ideal (Si-) e a proximidade relativa à solução 
ideal (Ci) são medidos usando Eqs. (5) - (7) e os resultados são apresentados 
em Tabela 5. Os materiais do porta-ferramentas podem ser classificados pelo 
grau relativo de aproximação e a classificação é mostrada em Tabela 5. As 
melhores alternativas como material do porta-ferramenta foram o aço para 
aeronaves Fe-5Cr-Mo-V e depois o carbeto de tungstênio-cobalto. 
 
Tabela 3 – Matriz de dados quantitativos normalizada 
Dados Normalizados 
MY (Gpa) RC (Mpa) TF (Mpa.m)1/2 CPM H (HV) C ($/kg) 
0,252 0,058 0,249 0,410 0,084 0,008 
0,254 0,111 0,210 0,432 0,200 0,009 
0,254 0,114 0,399 0,190 0,172 0,011 
0,248 0,275 0,173 0,096 0,272 0,015 
0,248 0,063 0,509 0,329 0,107 0,011 
0,225 0,319 0,365 0,262 0,300 0,087 
0,252 0,337 0,096 0,008 0,434 0,099 
0,711 0,770 0,064 0,499 0,704 0,991 
0,255 0,289 0,547 0,417 0,253 0,022 
Fonte: Autoria Própria 
 
Tabela 4 – Solução ideal e anti-ideal 
Solução ideal positiva 
MY (Gpa) RC (Mpa) TF (Mpa.m)1/2 CPM H (HV) C ($/kg) 
0,207 0,061 0,113 0,094 0,069 0,001 
Solução anti-ideal 
MY (Gpa) RC (Mpa) TF (Mpa.m)1/2 CPM H (HV) C ($/kg) 
0,065 0,005 0,013 0,001 0,008 0,138 
Fonte: Autoria Própria 
 
Tabela 5 - Rank dos materiais conforme o método de decisão multicritério 
Rank dos materiais 
 
1° Fe - 5Cr - Mo - V 0,561 
2° WC - Cobalto 0,527 
3° AISI 8620 0,521 
4° AISI 1040 0,492 
5° AISI 1020 0,487 
6° AISI 4140 0,487 
7° Aço maraging 0,482 
8° AISI 6150 0,436 
9° AISI S5 0,405 
Fonte: Autoria Própria 
 
5. CONCLUSÕES 
 
Neste trabalho, o problema de seleção de material para o porta-
ferramenta trabalhando em condições de fresamento duro foi resolvido utilizando 
um modelo de decisão. O modelo inclui o método TOPSIS para a classificação 
dos materiais alternativos de acordo com determinados critérios. A ponderação 
das propriedades do material foi realizada utilizando o método de ponderação 
baseado na hierarquia analítica. Os materiais alternativos foram avaliados com 
sucesso usando o método considerado. 
As pontuações de classificação usadas para classificar os materiais 
alternativos foram obtidas como resultados dos métodos. Os melhores materiais 
foram encontrados como o carboneto de tungstênio-cobalto e o aço para 
aeronaves Fe-5Cr-Mo-V. O pior material selecionado foi o aço AISI S5. Apesar 
de seu custo mais alto, o aço para aeronaves Fe – 5Cr – Mo – V obteve a 
classificação mais elevada por meio de suas melhores propriedades mecânicas 
entre os outros materiais de aço alternativos amplamente utilizados na produção 
de porta-ferramentas. 
Portanto, sugere-se que o carbeto de tungstênio-cobalto e o aço de 
aeronaves Fe-5Cr-Mo-V sejam usados como um material alternativo neste 
campo. Devido à dificuldade na produção de porta-ferramentas de carbeto de 
tungstênio-cobalto por métodos de usinagem convencionais, menor tenacidade 
à fratura e custo muito mais alto deste material, o aço para aeronaves Fe-5Cr-
Mo-V é mais preferível na produção de porta-ferramentas. 
Foi validado que a abordagem MCDM é uma ferramenta viável para 
resolver os complexos problemas de decisão de seleção de materiais. 
O modelo que foi desenvolvido para a seleção do material do porta-
ferramenta pode ser aplicado em outros componentes mecânicos para 
problemas de seleção de material. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6. REFERÊNCIAS 
 
[1] – F.B. Pickering, Physical Metallurgy and the Design of Steels, Applied 
Science Publishers Ltd., London, 1978, p. 150 – 162. 
 
[2] – André Luiz V. da Costa e Silva, Paulo Roberto Mei, Aços e Ligas Especiais, 
Editora Edgard Blücher, 2ª edição, 2006, p. 443 – 446. 
 
[3] – William C. Leslie, The Physical Metallurgy of Steels, McGraw – Hill Book 
Company, Nw York, 1981, p. 293 – 295.