May 4, 2016 | Author: Geraldo Estrela Meneses | Category: N/A
1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGI...
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO th 6 BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil th th April 11 to 15 , 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
INVESTIGAÇÃO DAS PROPRIEDADES E DIMENSÕES DA ZONA DE FLUXO NA USINAGEM DE METAIS Ricardo Augusto Gonçalves,
[email protected]¹ Rodrigo de Azambuja Montandon Ribeiro,
[email protected] Álisson Rocha Machado,
[email protected] 1
Universidade Federal de Uberlândia, Av. João Naves de Ávila 2121 Campus Santa Mônica
Resumo: Em usinagem, as condições em que ocorre a formação do cavaco influenciam diretamente a força de usinagem, o calor gerado, a temperatura de corte, os mecanismos e a taxa de desgaste das ferramentas de corte e conseqüentemente a vida das ferramentas. Portanto, entender a formação do cavaco é de extrema importância para se ter o domínio do processo de corte. Estudar a interface cavaco-ferramenta, entretanto, tem sido um desafio muito grande, porque são poucas as conclusões que podem ser tiradas de observações diretas durante o corte. As maiores dificuldades são provocadas pelas velocidades de saída dos cavacos, normalmente, muito elevadas e pelas reduzidas áreas de contato cavaco-ferramenta envolvidas. Sabe-se que na usinagem dos metais uma zona de intensa deformação plástica, denominada Zona de Fluxo, se apresenta na interface cavaco-ferramenta. Este trabalho surgiu da necessidade de se obter mais informações sobre esta zona de fluxo. O que se conhece desta zona em quase sua totalidade são hipóteses teóricas, com poucos trabalhos experimentais sobre o assunto. Nessa investigação, a morfologia da zona de fluxo e a microdureza desta região, em diversas condições de corte, são estudadas. Para tanto, foram usadas a técnica de quick-stop no torneamento e micrografias da raiz do cavaco, e de segmentos distintos de cavacos, de três materiais: aço inoxidável austenítico ABNT 304, Aço ABNT 1050 e alumínio comercial. A influência da velocidade de corte e do avanço é investigada. Foi encontrado que a microdureza do material diminui ao longo da espessura do cavaco a partir da zona de fluxo. À altas velocidades de corte, o aumento da velocidade de corte diminui a dimensão da zona de fluxo, por outro lado a mesma tende a aumentar com o aumento do avanço de corte. Palavras-chave: zona de fluxo; quick-stop;interface cavaco-ferramenta; microdureza; torneamento.
1. INTRODUÇÃO A usinagem é reconhecidamente o processo de fabricação mais popular do mundo, transformando em cavacos algo em torno de 10% de toda a produção de metais, e empregando dezenas de milhões de pessoas em todo o mundo. Apesar desta popularidade, trata-se, ainda, de um processo bastante imprevisível e a definição paradoxal que se segue relata com precisão toda a sistemática que envolve o mesmo: “É um processo, complexo e simples ao mesmo tempo, onde se produzem peças, removendo-se excesso de material, na forma de cavacos”. É “complexo” devido às dificuldades em se determinar as imprevisíveis condições ideais de corte. É “simples” porque, uma vez determinadas as condições ideais de corte, o cavaco se forma corretamente, dispensando qualquer tipo de ação especial do operador. As condições ideais de corte consistem de: (1) material e geometria adequados da ferramenta de corte; (2) velocidade de corte e avanço adequados para uma profundidade de corte pré-determinada; (3) fluído de corte adequado; tudo isto para ser usado em uma máquina-ferramenta pré-escolhida, para usinar um determinado material. Estas condições ideais de corte são aquelas capazes de produzir peças dentro de especificações de forma, tamanho e acabamento ao menor custo possível (Machado et al., 2009). Usinagem tem ainda a peculiaridade de ser um processo essencialmente prático, envolvendo um número de variável bastante grande. Shaw (1986) resume o problema da seguinte maneira. “é praticamente impossível prever o desempenho no corte dos metais. Entretanto, isto não quer dizer que estudos detalhados dos processos de usinagem não têm valor. Cada ponto fundamental que é detalhadamente estudado e propriamente interpretado contribui para o entendimento do processo, e entendimento é o passo mais próximo da capacidade de prever”. Este trabalho investiga o comportamento da zona de fluxo, no torneamento de materiais metálicos e verificar a influência das condições de corte (velocidade de corte e avanço) e do tipo de material (Aço ABNT 1050, Aço Inoxidável 304 e Alumínio comercial) nas características desta zona. As condições da zona de fluxo do cavaco serão determinadas a partir da análise de micrografias do cavaco, com medição das suas dimensões e de microdureza. ©
Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
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2. FORMAÇÃO DO CAVACO E A INTERFACE CAVACO O processo de formação do cavaco é periódico e dividido em quatro etapas: Recalque do material da peça contra a face da ferramenta; Deformação plástica do material recalcado; Ruptura, que se inicia com a abertura de uma trinca no ponto O, podendo se estender até o ponto D da Fig. (1) e movimento do material sobre a superfície de saída da ferramenta, sendo esse último evento, de grande influência no processo, especificamente na formação do cavaco, no calor gerado durante o corte, na força de usinagem e nas taxas de desgaste, tendo assim uma influência na vida útil das ferramentas. O estudo da interface cavaco-ferramenta, entretanto, tem sido um desafio muito grande, pois são poucas as conclusões que podem ser tiradas de observações diretas durante o corte. Os maiores empecilhos para desenvolvimento de uma teoria mais elaborada são provocados pelas velocidades de saída dos cavacos, normalmente, muito elevadas e pelas reduzidíssimas áreas de contato cavaco-ferramenta envolvidas. A maioria das teorias modernas disponíveis foi derivada de estudos desta interface, após o corte ter sido interrompido (utilizando o dispositivo Quick-Stop) e de medições de deformações e temperaturas naquela região. Após contar com essas técnicas de Quick-Stop, pode-se constatar a forte influência que as condições da interface cavacoferramenta exercem no processo (Machado et al., 2009).
Figura 1. Diagrama da cunha cortante (TRENT, 1984) Com o objetivo de estudar a interface cavaco-ferramenta, obtendo um melhor entendimento do processo, uma das primeiras medidas a ser tomada é a definição da geometria do contato. Isto é, deve-se determinar que tipo de condição da interface cavaco-ferramenta está acontecendo no momento, qual a área total ocupada por ela e em que região ocorre. Em usinagem dos metais, há o conhecimento de pelo menos três condições de interface cavaco-ferramenta possíveis (Machado et al., 2009): i) Aderência e Escorregamento; ii) Escorregamento; iii) Aresta Postiça de Corte (APC); Dentre os estudos e teorias mais conhecidas, relacionadas às condições da interface cavaco-ferramenta, quem mais se destacou foi E. M. Trent, que desde 1963 definiu e identificou a zona de escorregamento e a zona de aderência. A zona de aderência se estende da aresta de corte para dentro da superfície de saída da ferramenta, tendo a zona de escorregamento se desenvolvendo em seguida, ao longo de sua periferia, condição “i”. Em algumas condições especiais, isto, é, quando usinando materiais de corte-fácil, a zona de aderência pode ser suprimida, restando apenas a zona de escorregamento, condição “ii”. Outra situação diferente é a formação da aresta postiça de corte (APC), que é um fenômeno que ocorre a baixas velocidades de corte, na usinagem de materiais que contenham mais de uma fase cristalográfica, alterando a geometria da cunha cortante, o que afeta todo o processo de usinagem, condição “iii”. Foi por meio de análise de micrografias da raiz do cavaco, obtida pela interrupção brusca de corte, de diversos materiais usinados com aço-rápido e metal duro, que Trent (1963) obteve nítidas evidências de intenso contato ao longo de uma grande porção da interface cavaco-ferramenta, região denominada pelo autor de Zona de Aderência. Na Fig. (2) têm-se a micrografia de um cavaco de aço ABNT 1050, com ampliação máxima de 1000x, para Vc = 73,5 m/min e f = 0,169 mm/rot, tendo em destaque zona de fluxo. Nestas condições o movimento de material que ocorre na interface ocorre por cisalhamento, e essa zona de fluxo sofre deformação intensa e se situa a partir da interface com a ferramenta.
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Figura 2. (a) Micrografia da raiz de um cavaco de aço ABNT 1050; (b)- Ampliação da região indicada em a; (c)- Ampliação da região indicada em b. (Ribeiro e Gonçalves, 2010) Nessa região existe um gradiente de velocidade iniciando-se com uma camada estacionária de material em contato com a ferramenta com uma espessura que varia de 0,01 a 0,10 mm, a partir do qual a velocidade, assume o valor da velocidade de saída do cavaco. Para Trent as “condições de aderência” devem ser assumidas como inevitáveis para a usinagem de todos os materiais, com a exceção de alguns de corte fácil, e utilizando-se de qualquer tipo de ferramenta de corte. Sabe-se também que altas tensões de compressão, grandes quantidades e altas taxas de deformações, que causam altas temperaturas na interface cavaco-ferramenta, e a pureza do material da peça em contato com a ferramenta promovem as ligações atômicas nesta interface, causando aderência (TRENT, 1988a, 1988b, 1988c). Segundo Trent, o mecanismo de deformação plástica na interface cavaco-ferramenta ocorre por dois modos diferentes: A baixas velocidades de corte e avanço, com formação de APC, ocorre por movimentos de discordâncias, o que acarreta, portanto encruamentos; a altas taxas de remoção de material na zona de aderência, as deformações cisalhantes estão confinadas a estreitas bandas de cisalhamento termoplástico adiabático (zona de fluxo). Essa zona é fortemente ligada à ferramenta de corte e embora se acredite que esta forte ligação possa retardar o movimento na interface, a velocidade relativa do cavaco em relação à face da ferramenta é igual a zero. A movimentação do material sobre a face da ferramenta de corte ocorre, neste caso, pela elevada deformação plástica na zona de fluxo (TRENT, 1988b). Nessa zona observa-se que, à medida que se aproximam da interface com a superfície de saída da ferramenta, as deformações do material vão aumentando rapidamente. O comportamento do material, neste caso, é mais comparável a um fluido extremamente viscoso do que a um sólido, daí o termo “zona de fluxo” (TRENT, 1988b). Na zona de fluxo os níveis de deformações são altíssimos, podendo atingir valores superiores a 100 (TRENT E WRIGHT 2000). Porém, este valor é uma estimativa, pois se sabe que medir níveis de deformações a altas taxas de deformações e em uma região de espessura bem estreita (na ordem de 10 a 100 µm) é bastante complicado. A Fig. (3) apresenta o modelo proposto por Trent e Wright (2000), no qual a deformação cisalhante na zona de fluxo é inversamente proporcional à distancia da superfície de saída da ferramenta.
Figura 3. Modelo de deformação na zona de fluxo, proposto por Trent e Wright (2000) No ponto Y da Figura 3, a porção inicial do material OabX sofreu uma deformação para Oa’b’X, enquanto que a metade do material da porção inicial considerada, isto é, OcdX (metade de OabX) se deformou para Oc”d”X que é o dobro da deformação sofrida por ab. Correspondentemente, o material OefX, onde Oe vale ¼ de Oa, se deforma para Oe’’’f’’’X quando ele atinge o ponto Y, que é quatro vezes maior que a deformação sofrida por OabX quando este atinge o mesmo ponto, Oa’b’X.
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Teoricamente a deformação cisalhante seria infinita na superfície de saída da ferramenta, mas o fluxo laminar é interrompido a poucos microns desta superfície, devido à rugosidade superficial inerente. A capacidade dos metais e ligas metálicas suportarem tais níveis de deformações cisalhantes sem se romperem é atribuída às altíssimas tensões de compressão e elevadas temperaturas presentes naquela região (MACHADO; Da SILVA, 2004). 2.1. Dispositivo Quick-Stop Nos dispositivos Quick-Stop, a ferramenta de corte é retraída com velocidade superior à velocidade de corte, deixando a raiz do cavaco em condições de análise detalhada por meio de microscópios. Basicamente, esses dispositivos têm a função de estabelecer a operação de corte com o suporte da ferramenta apoiado em um pino de aço endurecido. Esse pino possui grande rigidez e capacidade de ruptura sem deformação. Quando a formação do cavaco está acontecendo, pela ação de um golpe brusco externo, o pino se rompe e a ferramenta é afastada da peça em alta velocidade, quase instantaneamente. A ruptura do pino de sustentação da ferramenta pode se dar por meio da ação de um explosivo, usando-se pólvora de um cartucho, ou da força de uma mola, acelerando uma barra de impacto ou pneumaticamente. A Fig. (4) apresenta o dispositivo utilizado nos testes.
Figura 4. Dispositivo Quick-Stop usado nos testes 3. METODOLOGIA A investigação da zona de fluxo foi realizada em duas etapas: a primeira etapa utilizando o dispositivo quick-stop para analisar a raiz do cavaco; e a segunda etapa coletando cavacos de um processo de torneamento convencional, e análise microscopia de sua seção longitudinal. Assim é possível confirmar a presença da zona de fluxo em todo o cavaco, comparando suas condições com as da raiz do cavaco. No processo de usinagem, em todos os testes, foi usada a ferramenta de metal duro SPMN 120308, revestida, com o suporte CSBPR 2525 H12. Quando o desgaste de flanco médio VBB atingia 0,1mm, era feito a troca por uma pastilha nova, para evitar a influência do desgaste. Os pinos fusíveis (110 mm de comprimento e 8 mm de diâmetro cada) foram produzidos em aço ABNT 1045 temperados a 900°C e revenidos a 350°C para conferi-los dureza e resistência. Foi utilizado o forno JUNG modelo 2513 para a realização das têmperas. Apesar de todos os benefícios e praticidade, o dispositivo quick-stop apresentava uma limitação, após cada ensaio, era preciso retirar o tarugo do torno e serrar a parte onde se encontrava o cavaco, havendo grande consumo de tempo para a realização dessa tarefa. Para aperfeiçoar o processo entre os ensaios, foram desenvolvidos anéis do material a ser usinado e um novo dispositivo de fixação dos mesmos. O anel era acoplado ao dispositivo de fixação e após a usinagem apenas ele era retirado facilitando a retirada do cavaco e liberando a máquina para realizar um novo ensaio. Na Fig. (5) tem-se o dispositivo de fixação com corpo de prova em forma de anel.
Figura 5. Dispositivo de Fixação dos anéis (170 mm de comprimento e 80 mm de diâmetro) e o corpo de prova acoplado Nesta primeira etapa foram usinados dois materiais: alumínio comercial e aço ABNT 1050. A usinagem foi feita no torno IMOR Maxi-II – 520 com 6 cv de potência, com as condições de corte mostradas na Tab. (1).
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Tabela 1. Condições de corte: Primeira Etapa – onde utilizou o dispositivo quick-stop Amostra RCAL1 RCAL2 RCAL3 RCAL4 RCA1 RCA2 RCA3 RCA4
Material Alumínio Alumínio Alumínio Alumínio Aço Aço Aço Aço
Teste 1 2 3 4 1 2 3 4
d (mm) 51 76,5 62 76,5 53,4 53 53,5 53,3
n(RPM) 280 280 450 450 355 450 560 710
vc(m/min) 44,84 67,26 87,6 108 59,5 74,89 94,07 118,83
f(mm/rot) 0,138 0,138 0,138 0,138 0,138 0,138 0,138 0,138
ap(mm) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
Após a produção da amostra pelo acionamento do dispositivo quick-stop os anéis eram retirados e levados até a morsa para que fosse serrada a parte que contém o cavaco. Para a análise da raiz dos cavacos no microscópio, as amostras foram embutidas em resina cristal de polietileno fundida, facilitando o manuseio, e evitando possível falha do cavaco com pressões de embutimento convencional. Na segunda etapa foram coletados cavacos de um torneamento convencional, utilizando três materiais distintos: alumínio comercial (~118HV), aço ABNT 1050 (~230HV) (mesmos materiais usados na primeira etapa) e o aço inoxidável ABNT 304 (~180HV). Os cavacos foram produzidos utilizando o torno IMOR Maxi-II – 520 da oficina mecânica da UFU. As condições de corte utilizadas estão na Tab. (2). Tabela 2. Condições de corte: Segunda Etapa Amostra AL1 AL2 AL3 AL4 AL5 AL6 AL7 AL8 AL9 AL10 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10
Material Alumínio Alumínio Alumínio Alumínio Alumínio Alumínio Alumínio Alumínio Alumínio Alumínio Aço 1050 Aço 1050 Aço 1050 Aço 1050 Aço 1050 Aço 1050 Aço 1050 Aço 1050 Aço 1050 Aço 1050 Inox Inox Inox Inox Inox Inox Inox Inox Inox Inox
Teste 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
d(mm) 58 58 58 58 58 58 58 58 58 58 52 52 52 52 52 52 52 52 52 52 74 74 74 74 74 74 74 74 74 74
n(RPM) 450 560 710 900 1400 560 560 560 560 560 450 560 710 900 560 560 560 560 560 560 450 560 710 900 1400 560 560 560 560 560
vc(m/min) 81,954 101,9872 129,3052 163,908 254,968 101,9872 101,9872 101,9872 101,9872 101,9872 73,476 91,4368 115,9288 146,952 91,4368 91,4368 91,4368 91,4368 91,4368 91,4368 104,562 130,1216 164,9756 209,124 325,304 130,1216 130,1216 130,1216 130,1216 130,1216
f(mm/rot) 0,169 0,169 0,169 0,169 0,169 0,138 0,242 0,337 0,431 0,554 0,169 0,169 0,169 0,169 0,138 0,138 0,242 0,337 0,431 0,554 0,169 0,169 0,169 0,169 0,169 0,138 0,242 0,337 0,431 0,554
ap(mm) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
Após a usinagem, parte do cavaco de cada teste era coletado, armazenado e embutido em baquelite, utilizando a embutidora TERMOPRESS 2 – STRUERS. As amostras foram lixadas, polidas, atacadas e foram feitas fotos e coleta de microdureza assim como nas amostras de raiz de cavaco da primeira etapa. As imagens das amostras de cavaco foram feitas no Microscópio Metalúrgico Risitec com câmera CCD acoplada. Além disso, foram coletados valores de microdureza ao longo da espessura do cavaco a partir da interface cavaco-ferramenta utilizando o microdurômetro Digital MicroHardness Tester HSV-1000.
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4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1. Microdureza As medições de microdureza foram realizadas em uma linha vertical seguindo uma mesma proporção com relação à espessura do cavaco, tanto nas amostras da raiz quanto nos demais cavacos para a investigação da variação da microdureza a partir da zona de fluxo nos três materiais conforme a Fig. (6).
Figura 6. Esquema de medições de microdureza: a) ao longo da espessura do cavaco de aço ABNT 1050 obtido na etapa 2; b) ao longo da espessura na raiz do cavaco de aço ABNT 1050 obtido na etapa 1. Os resultados encontrados nos ensaios de microdureza realizados nas amostras de aço ABNT 1050 estão listados na Tab. (3). É possível perceber que os maiores valores encontrados estão presentes nas medições realizadas no ponto 1, que compreende a parte mais inferior da espessura do cavaco, próxima à zona de fluxo. Isso se deve ao fato de que nessa região existe grande deformação plástica acarretando no encruamento do material. Algumas amostras como RCA2 e A2 apresentaram altos índices de microdureza, 614 e 494 HV, evidenciando que nestes ensaios o penetrador do microdurômetro deve ter feito a medida exatamente sobre a zona de fluxo, porção mais deformada e conseqüentemente mais dura do cavaco. Tabela 3. Microdureza ao longo da espessura de amostras cavaco de aço 1050 Amostra
RCA1 RCA2 RCA3 RCA4 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10
1 354 614 285 351 488 494 444 256 292 375 388 320 408 485
Microdureza HV Pontos 2 3 4 325 273 282 341 332 322 319 233 358 300 329 352 251 311 292 354 301 364 397 322 121 262 210 195 294 199 230 267 306 295 253 306 324 319 282 264 237 252 245 254 298 325
5 304 282 362 339 251 287 117 226 295 366 304 268 270 291
A partir da Tab. (3) foram feitos gráficos levando-se em conta as condições de corte utilizadas em cada amostra para melhor ilustrar a variação da microdureza ao longo dos cavacos de aço ABNT 1050. A Fig. (7.a) mostra a variação da microdureza ao longo da espessura do cavaco, para várias velocidades de corte obtidos nos testes da primeira etapa (utilizando o dispositivo quick-stop). Não é possível observar uma tendência dos resultados, apenas a presença de maiores valores no ponto 1, mais próximo à zona de fluxo, na maioria dos casos. Já as Fig. (7.b) e (7.c) apresentam a variação da microdureza ao longo da espessura do cavaco, para várias velocidade de corte e avanço de corte, respectivamente, obtidos nos testes da segunda etapa (obtidos em cavacos coletados). No gráfico que mostra a variação da velocidade de corte é possível observar uma tendência de diminuição da microdureza à medida que a penetração se afasta da zona de fluxo. Observa-se ainda que a microdureza do ponto 1, mais próximo à zona de fluxo, tende a
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diminuir com o aumento da velocidade de corte. Quando se variou o avanço, a microdureza do ponto 1 tende a ser diretamente proporcional ao valor desta variável.
Figura 7. a)Microdureza ao longo da espessura do cavaco de aço ABNT 1050obtidos na primeira etapa dos testes (com quick-stop) para várias velocidades de corte. b) Microdureza ao longo da espessura do cavaco de aço ABNT 1050, obtidos na segunda etapa dos testes, para várias velocidades de corte. c) Microdureza ao longo da espessura do cavaco de aço ABNT 1050, obtidos na segunda etapa dos testes, para vários avanços de corte. Em outra análise foram feitas medições de microdureza em uma maior área da raiz do cavaco a fim de comparar as zonas onde ocorre deformação do material, e também, onde o material continua não-deformado. Além disso, comparar como as deformações na zona de fluxo, nos planos de cisalhamento e ao longo do cavaco influenciam a microdureza. Com o auxílio Fig. (8) é possível observar que os maiores valores de microdureza se encontram próximos à zona de fluxo e ao plano de cisalhamento primário, locais de grande deformação cuja dureza foi 531 e 472HV respectivamente.
Figura 8 - Microdureza na raiz de cavaco de aço ABNT 1050 Da mesma forma como realizado no aço ABNT 1050 foram feitas cinco medidas ao longo do cavaco do aço inoxidável ABNT 304, partindo da zona de fluxo com espaçamento igual entre elas a fim de investigar a variação da microdureza nestes pontos conforme a Fig. (9).
Figura 9 - Esquema de medições de microdureza ao longo da espessura do cavaco de aço inoxidável ABNT 304 A Fig. (10) mostra a variação da microdureza ao longo da espessura do cavaco, conforme Fig. 9, para várias velocidades de corte e avanços de corte, respectivamente. Não é possível observar grandes alterações na microdureza com a variação destes parâmetros. Existe apenas uma alteração importante. A maior velocidade de corte utilizada, 325,3 m/min apresenta índices de microdureza maiores que as demais velocidades, indicando um maior encruamento nesta velocidade.
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a)
b)
Figura 10. a) Microdureza ao longo da espessura do cavaco de aço inoxidável ABNT 304 para várias velocidades de corte. b) Microdureza ao longo da espessura do cavaco de aço inoxidável ABNT 304 para vários avanços de corte Assim como nas amostras dos aços foram também feitas medições igualmente espaçadas no Alumínio seguindo uma linha vertical a partir da zona de fluxo com o intuito de verificar a influência das deformações do cavaco na microdureza ao longo da espessura do cavaco, tanto na raiz como nos demais cavacos. O esquema de medição está representado na Fig. (11).
Figura 11. Esquema de medições de microdureza: a) ao longo da espessura na raiz do cavaco de Alumínio produzido nos testes da segunda etapa; b) ao longo da espessura do cavaco de Alumínio produzido na primeira etapa (utilizando o dispositivo quick-stop) Para o alumínio assim como no caso do aço inoxidável não é possível perceber uma variação expressiva dos valores. A Fig. (12.a) mostra a variação da microdureza para várias velocidade corte nas amostras de raiz de cavaco obtidas por quick-stop e as Fig. (12.b) e Fig. (12.c) apresentam a variação da microdureza para várias velocidades de corte e avanços de corte nos cavacos de alumínio obtidos na segunda etapa.
Figura 12. a)Microdureza ao longo da espessura do cavaco de Alumínio obtidos nos testes da primeira etapa (com quick-stop); b) Microdureza ao longo da espessura do cavaco de Alumínio obtidos na segunda etapa dos testes, para várias velocidade de corte ; c) Microdureza ao longo da espessura do cavaco de Alumínio obtidos na segunda etapa dos testes, para vários avanços de corte Nas raízes de cavaco obtidos por quick-stop (Fig 12.a) é possível perceber uma leve tendência de aumento da microdureza em algumas velocidades de corte, quando partimos do ponto 1 em direção ao ponto 5, ou seja, à medida que se afasta da zona de fluxo. Possivelmente neste caso, as deformações do plano primário podem ter apresentado maiores influências nas microdurezas. Como o alumínio puro comercial não tem grande capacidade de encruamento, as deformações da zona de fluxo não exerceram também grandes influências no endurecimento dos microconstituintes do
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material. Mas não é possível observar uma tendência de aumento ou redução da microdureza com a variação da velocidade de corte e avanço de corte tanto na raiz quanto nos demais cavacos. 4.2. Dimensão da zona de fluxo Na zona de fluxo ocorre deformação em níveis tão altos que não é possível observar a presença de segunda fase do material, nas ampliações normais de análise de amostras. Ao mesmo tempo, o final da zona de fluxo não é bem definido. Para tanto, a fim de quantificar a dimensão da zona de fluxo foi adotado um critério. A partir do momento em que era possível identificar a segunda fase no material, ou as linhas de deformação se alinhavam, esse ponto era adotado como o final da zona de fluxo, como ilustrado na Fig. (2c). Na figuras (13a) a (13c) são apresentados os resultados obtidos nas dimensões da zona de fluxo na usinagem dos três materiais.
Figura 13. a) Dimensão da zona de fluxo x velocidade de corte obtidos nas amostras da primeira etapa (com quick-stop); b) Dimensão da zona de fluxo x velocidade de corte e c) Dimensão da zona de fluxo x avanço de corte obtidos nas amostras da segunda etapa Com a ajuda dos gráficos da Fig. (13) é possível observar a variação da dimensão da zona de fluxo em função da velocidade de corte e do avanço de corte nos cavacos obtidos na usinagem dos três materiais. Fazendo uma análise da Fig. (13.a) é possível perceber que primeiramente ocorre um aumento, um ponto de máximo e depois essa dimensão tende a cair. Esse aumento inicial acontece numa porção de velocidade de corte baixa de 40 a 60 m/min onde possivelmente existe a presença de aresta postiça de corte – APC que modifica inteiramente as condições da interfacecavaco ferramenta. Levando em conta as amostras seguintes pode-se notar uma ligeira diminuição da dimensão da zona de fluxo com o aumento da velocidade de corte. O mesmo acontece analisando a Fig. (13.b) onde há um aumento da dimensão da zona de fluxo em velocidades menores onde possivelmente existe APC. A partir do momento em que a velocidade de corte aumenta, existe uma tendência de diminuição da dimensão da zona de fluxo, comportamento que era esperado pela literatura (Trent e Wright, 2000). À medida que a velocidade de corte aumenta menor é o tempo de contato entre a ferramenta e o material fazendo com que o tempo que o cavaco tem para deformar seja menor, além de gerar mais calor, aumentando a temperatura, o que confina a deformação em zonas mais estreitas. No caso da Fig. (13.c) o aumento do avanço de corte claramente evidencia um aumento da dimensão da zona de fluxo. O aumento do avanço de corte aumenta as forças de usinagem e a temperatura no processo ocasionando numa maior deformação e consequentemente maior dimensão da zona de fluxo, zona de maior deformação no cavaco. Outra observação importante de se fazer foi a de que o material mais dutil, alumínio, que consequentemente possui um grau de deformação maior apresentou maiores dimensões de zona de fluxo em comparação aos dois aços tanto na variação da velocidade de corte como no avanço de corte evidenciados pelas Fig. (13.b) e (13.c). 5. CONCLUSÃO Neste trabalho realizou-se a investigação de propriedades da zona de fluxo como a microdureza e das dimensões da mesma por meio de análise micrográfica das amostras de cavaco de três materiais: aço ABT 1050, aço inoxidável ABNT 304 e alumínio. A partir dos resultados obtidos de microdureza e dimensões da zona de fluxo que foram apresentados por tabelas e gráficos é possível chegar a algumas conclusões importantes: • A microdureza do material diminui ao longo da espessura do cavaco a partir da zona de fluxo na usinagem dos aços. • À altas velocidades de corte, fora da faixa onde existe APC, a medida que a velocidade de corte aumenta a dimensão da zona de fluxo tende a diminuir. • O aumento do avanço de corte implica em um aumento da dimensão da zona de fluxo, nos três materiais utilizados: aço ABNT 1050; aço inoxidável ABNT 304 e alumínio comercial. • O alumínio, material mais dútil, apresentou dimensões de zona de fluxo maiores que os aços.
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6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPQ, CAPES e FAPEMIG pelo apoio financeiro. 7. REFERÊNCIAS Ferraresi, D. “Fundamentos da Usinagem dos Metais”, Editora Edgard Blucher Lltda, São Paulo, 1977, 751 pags. Machado, Á. R.; Abrão, A. M.; Coelho, R. T.; Da Silva, M. B.;;, 2009, “Teoria da Usinagem dos Materiais”. 1 ed.. Editora Edgard Blucher. ISBN 978-85-212-0452-7. 371pags. Riberio, R.A.M. e Gonçalves, R.A., 2010, “Investigação das Propriedades e Dimensões da Zona de Fluxo na Usinagem de Metais”, Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Mecânica, FEMEC, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia MG, 58 pgs. Shaw, M.C.; Ber, A. and Mamin, P.A., 1960, “Friction Characteristics of Sliding Surfaces Undergoing Subsurface Plastic Flow”, Trans ASMS, J Basic Eng, vol. 82, June, pp. 342-346. Shaw, M.C. “Metal Cutting Principles”, Oxford University Press, 1984, ISBN 0-19-859002-4, 594 pags. Trent, E.M., 1963, “Cutting Steel and Iron with Cemented Carbide Tools – Part II: Conditions of Seizure at the Tool/ Work Interface”, Journal of the Iron and Steel Institute, Nov. 1963, pp. 923-932. Trent, E.M., 1988a, “Metal Cutting and the Tribology of Seizure: I-Seizure in Metal Cutting”, Wear, vol. 128, pp. 2946. Trent, E.M., 1988b, “Metal Cutting and the Tribology of Seizure: II-Movement of Work Material Over the Tool in Metal Cutting”, Wear, vol. 128, pp.47-64. Trent, E.M., 1988b, “Metal Cutting and the Tribology of Seizure: III – Temperature in Metal Cutting”, vol. 128, pp. 6581. Trent, E.M. and Wright, P.K., 2000, “Metal Cutting”, 4th Edition, Butterworth Heinemann, ISBN 0-7506-7069-X, 446 pags. 8. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
EFFECT OF THE NUMBER OF INTERRUPTIONS FOR TOOL WEAR MEASUREMENT IN TOOL LIFE TESTS IN TURNING Ricardo Augusto Gonçalves,
[email protected]¹ Rodrigo de Azambuja Montandon Ribeiro,
[email protected] Álisson Rocha Machado,
[email protected] 1
Universidade Federal de Uberlândia, Av. João Naves de Ávila 2121 Campus Santa Mônica
Abstract. In machining the conditions that the chips are formed do affect the cutting forces, the heat generated, the cutting temperatures, the tool wear mechanisms and wear rate and consequently the tool lives. Therefore, it is important to understand the chip formation process in order to have control of the cut. To study the chi-tool interface, however, has been a great challenge, because only few conclusions can be drawn from direct observations during machining. The chip velocity are very high and the chip-tool contact area are very small to allow external observations. In metal machining an intense deformation zone, called ‘flow zone’ is present at the chip tool interface. The present work was encouraged by the need of further information about this flow zone. What is known so far are hypothetic theories, with few experimental works in this field. The morphology and the microhardness of this region were studied in several cutting conditions. Quick-stop samples and chips collected from after turning a medium carbon steel (ABNT 1050), a stainless steel (ABNT 304) and commercial pure aluminum.The influence of the cutting speed and feed rate was investigated. It was found that the microhardness diminishes along the chip thickness from the flow zone.In high speed the increase of the cutting speed reduces the flow zone thickness. On the other hand this thickness tends to enhance as the feed rate is increased. Keywords: Flow zone; quick-stop techinique; chip-tool interface; microhardness; turning.