INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE CORTE NA RUGOSIDADE EM USINAGEM DE LIGAS DE ALUMÍNIO

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1 INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE CORTE NA RUGOSIDADE EM USINAGEM DE LIGAS DE ALUMÍNIO Elias Alves da Cunha. Laboratório de Estudos da Usinagem, Depto. de Engª. de Materiais, FAENQUIL, Lorena/SP Brasil. Cx. Postal 116 CEP Fone: (12) ; FAX: Marcos Valério Ribeiro Laboratório de Estudos da Usinagem, Depto. de Engª. de Materiais, FAENQUIL, Lorena/SP Brasil. Cx. Postal 116 CEP Fone: (12) ; FAX: Resumo. Neste trabalho foram feitas análises da rugosidade de superfícies usinadas da liga ASTM 6351 T6 de alumínio, em função da velocidade de corte em operações de torneamento cilíndrico e sem o uso de fluido de corte. Foram estudados os danos causados à superfície usinada e à ferramenta de corte, também foi feita uma correlação entre a morfologia do cavaco e os valores de rugosidade obtidos. Após a usinagem as amostras foram analisadas em microscópio eletrônico de varredura (MEV) com o objetivo de investigar os mecanismos que influenciam o acabamento das superfícies usinadas. Em todas as amostras analisadas foram observadas características típicas de superfícies usinadas, como marcas de avanço, deformações típicas da presença de aresta postiça de corte (APC) além de partículas depositadas na superfície usinada. São apresentadas ainda formações típicas do mecanismo de fluxo lateral de metal ( side flow ). Palavras chave: Usinagem, alumínio, rugosidade, aresta postiça de corte. 1. INTRODUÇÃO A necessidade de fabricação de produtos cada vez menores, mais leves, com maior precisão, confiabilidade e, se possível, com baixo custo, tem constantemente lançado desafios à engenharia de fabricação (Di Raimo, 2001). A indústria aeronáutica e aeroespacial, frente às mudanças ocorridas nos últimos anos no transporte aéreo de massa e com o desenvolvimento de novos produtos, exige uma disponibilidade maior de novos materiais dos quais se tenha quantidade de informações suficientes para seu processamento, (Heinz et al, 2000). Dentre esses materiais, o alumínio se destaca por possuir uma importância significativa devido ao seu grande potencial de produção (principalmente na indústria nacional) e suas características físicas e mecânicas intrínsecas, como por exemplo, a sua elevada relação resistência / peso. O alumínio em geral pode ser facilmente usinado. A energia consumida por unidade de volume do metal removido é muito baixa. Apenas o magnésio e suas ligas podem ser usinadas com a mesma taxa de energia consumida, (Diniz et al. 1999). Com o desenvolvimento dos equipamentos de alta precisão um bom acabamento superficial das peças usinadas, utilizadas em suas montagens, tornou-se um item obrigatório, portanto o estudo do

2 acabamento superficial nesses materiais se justifica devido à influência deste nas condições de funcionamento e na confiabilidade dos componentes mecânicos, sendo por isso um dos principais itens analisados no estudo de integridade superficial de componentes usinados. São vários os parâmetros de usinagem que influenciam o acabamento superficial, entre eles podemos citar: geometria da ferramenta de corte; geometria da peça; rigidez da máquina ferramenta; material da peça; material da ferramenta; condições de corte. No que se refere às condições de corte, os parâmetros mais influentes são: o avanço (f), a profundidade de corte (a p ), e por fim a velocidade de corte (v c ) (Reis e Silva, 2001), no presente trabalho procurou-se verificar a influência da velocidade de corte em torneamento cilíndrico no acabamento superficial da liga ASTM 6351 T6 de alumínio. O parâmetro velocidade de corte (v c ) foi escolhido como objeto de estudo neste trabalho, pois com o grande desenvolvimento da indústria de ferramentas de corte, atualmente temos disponíveis no mercado uma grande variedade de ferramentas de diversos materiais que atendem satisfatoriamente as exigências requeridas para as operações de torneamento principalmente para as ligas de alumínio, onde o desgaste da ferramenta é raramente um problema. Outro fator que contribuiu para escolha deste parâmetro foi a grande rigidez das máquinas de comando numérico computadorizado, a qual foi utilizada neste estudo. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Nos ensaios utilizou-se corpo de prova cilíndrico da liga ASTM 6351 T6 de alumínio, estes foram usinados em um torno de comando numérico computadorizado CENTUR - 30D ROMI, usando ferramentas de metal duro da SANDVIK COROMANT segundo a classificação ISO VCGX AL Classe H10A, com um suporte SVJBR2020K11. Para a medição da rugosidade utilizou-se um rugosímetro portátil da marca Mitutoyo modelo SJ- 201 (com apalpador mecânico tipo estilete e raio de ponta de 5 µm). Em cada velocidade de corte foram feitas três paradas durante a usinagem para medições de rugosidade, e em cada parada foram feitas três medições, uma a cada 120 em torno do corpo de prova, para isso usou-se um comprimento de amostragem de rugosidade cut-off (Le = 2,5 mm). O parâmetro de rugosidade utilizado neste trabalho foi o Ra (equação 1), que é definido como o desvio médio aritmético dos valores absolutos das ordenadas de afastamento yi e ys, dos pontos do perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro do percurso de medição. Este parâmetro é adotado pela ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas - NBR 6405 (Figura 1). Lm Ra = 1 / Lm y( x) x (1) 0 Onde y(x) é a função das ordenadas de afastamento e Lm é o percurso de medição.

3 Figura 1. Rugosidade média Ra (ABNT, 1988). O material usado na confecção do corpo de prova, ASTM 6351 T6, tem sua composição química conforme a Tabela 1: Tabela 1. Composição química do corpo de prova (% massa). Composição química da liga ASTM 6351 T6. Tratamento. Al 98 % Si 1,0 % Mg 0,5 % Cu 0,1 % Outros 0,4 % Solubilizada e Envelhecida artificialmente. A operação de usinagem foi realizada sem a utilização de fluido de corte, pois seu uso vem sendo reduzido gradativamente na indústria devido aos problemas ambientais causados pelo mesmo e que são atribuídos ao seu descarte na natureza, por isso as atuais pesquisas nesta área tem sido feitas sem o uso destes produtos (Diniz and Micaroni, 2002). As velocidades de corte foram variadas de um ensaio para outro e todas as outras condições foram mantidas constantes, como mostrado na Tabela 2. Tabela 2. Condições experimentais. CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS Ensaio Velocidade de corte v c (m/min) Avanço f (mm/volta). 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Profundidade de corte a p (mm) Fluido de corte. Não Não Não Não Não Em todos os ensaios foram recolhidas amostras do cavaco formado, da ferramenta utilizada e da superfície usinada, para análise no microscópio eletrônico de varredura (MEV) modelo LEO 1450 VP do DEMAR / FAENQUIL, utilizando a técnica de análise de elétrons secundários. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Através da análise dos valores de rugosidade medidas, podemos notar que com o aumento da velocidade de corte ocorre em geral uma diminuição dos valores de rugosidade (Figura 2). Esse fenômeno pode ser explicado pelo fato de existir uma menor probabilidade de aparecimento de aresta postiça de corte (APC) com o aumento da velocidade de corte devido ao aumento da temperatura

4 na região de corte, este aumento na temperatura promove a formação de novos grãos no cavaco, não existindo a possibilidade de encruamento do mesmo, fator fundamental para a formação da (APC), (Diniz et al., 1999). Em geral a rugosidade tende a diminuir com o aumento da velocidade de corte, por isso em baixas velocidades o crescimento de metal soldado (aresta postiça de corte) na aresta da ferramenta causa um aumento na rugosidade. Figura 2. Gráfico rugosidade x velocidade de corte para as cinco condições analisadas. Quanto à análise das superfícies usinadas, em todas as amostras foram encontradas características listadas por Field et al. (1971) em Reis e Silva (2001), como exemplo podemos citar deformações plásticas na superfície, marcas de avanço, metal aderido à superfície usinada e fluxo lateral, das quais as duas últimas se devem a presença de aresta postiça de corte na ferramenta. Podemos observar micrografias das superfícies usinadas nas cinco velocidades analisadas neste artigo (Figuras 3, 4 e 5). Quando se observa a superfície (Figura 3a), verifica -se a presença de um grande número de crateras, região a e grandes deformações nos picos entre duas passagens da ferramenta, região b, resultante do atrito da aresta postiça de corte com a superfície usinada, também se observa metal aderido, região c na superfície usinada, em forma de partículas e ao longo da direção de corte, ambas em grande quantidade. Estas partículas já foram citadas por Reis e Silva (2001), e são pedaços de aresta postiça de corte que cisalham e caem entre a superfície principal de folga da ferramenta e a superfície em usinagem principal (gerada pela aresta principal de corte), e são comprimidas contra a superfície de usinagem secundária (geradas pela aresta secundária de corte). Observa-se metal aderido na superfície usinada (Figura 3b), como destacado na região b e também o fenômeno denominado fluxo lateral, região a, este último causado pela ação do metal soldado na aresta de corte da ferramenta (aresta postiça de corte), já citada anteriormente por Yousefi e Ichida, (1999). A superfície usinada (Figura 4a) apresenta uma melhor definição entre as marcas de avanço, região a, com os picos de rugosidade pouco salientes, porém verifica-se ainda o aparecimento de algumas crateras, região b e também partículas aderidas à superfície, região c, resultantes da passagem da ferramenta de corte.

5 Nas duas superfícies finais analisadas, (Figuras 4b e 5), observa-se uma definição entre as marcas de avanço, porém com os picos de rugosidade pouco salientes e poucas crateras resultantes da passagem da ferramenta de corte o que caracteriza os resultados menores de rugosidade obtidos. A rugosidade também pode ser relacionada com a deformação do cavaco, portanto o grau de deformação sofrido pelos mesmos está diretamente relacionada às condições ensaiadas (Figuras 6,7 e 8). Os cavacos obtidos (Figura 6a e 6b) apresentam uma distribuição aleatória de seus segmentos, região a, devido em grande parte ao aparecimento da (APC) na aresta principal de corte da ferramenta, modificando o ângulo de saída do cavaco e a regularidade de formação das zonas de deformação primária se secundária do cavaco. Para a micrografia do cavaco (Figura 7a), observamos uma distribuição bastante uniforme dos segmentos que compõe o cavaco, região a, fato este que reflete os menores valores obtidos para rugosidade nesta condição e revela que a ferramenta nesta condição consegue promover a remoção de material de forma bem mais homogênea. Nas micrografias das superfícies (Figuras 4b e 5), a uniformização dos segmentos dos cavacos produzidos é ainda mais pronunciada que nos casos anteriores, o que caracteriza os baixos valores de rugosidade encontrados. Isto se deve principalmente a maior temperatura de corte, o que causa uma maior facilidade nesta operação. Direção de avanço Figura 3. Micrografia das superfícies usinadas: a) Velocidade de corte de 200 m/min; b) Velocidade de corte de 270 m/min.

6 Direção de avanço Figura 4. Micrografia das superfícies usinadas: a) Velocidade de corte de 340 m/min; b) Velocidade de corte de 370 m/min. Direção de avanço Figura 5. Micrografia da superfície usinada a velocidade de corte de 410 m/min. Figura 6. Micrografia dos cavacos obtidos: a) Velocidade de corte de 200 m/min; b) Velocidade de corte de 270 m/min.

7 Figura 7. Micrografia dos cavacos obtidos: a) Velocidade de corte de 340 m/min; b) Velocidade de corte de 370 m/min. Figura 8. Micrografia do cavaco obtido a velocidade de corte de 410 m/min. Pode ser visualizado o efeito da usinagem sobre a ferramenta de corte (Figuras 9,10 e 11), onde observamos uma grande quantidade de material aderido a aresta de corte (Figura 9b), região 1, dando origem à aresta postiça de corte que por sua vez é a provável causadora do aumento da rugosidade nesta condição. Foram observados desgaste de flanco e também uma certa quantidade de material depositado na aresta de corte da ferramenta (Figura 10a). Presença de material depositado sobre a ferramenta (Figura 10b), que provavelmente se desprenderia caso a operação de torneamento tivesse continuidade, provocaria a craterização, pois o cavaco arrastaria consigo material da ferramenta. Usinando com velocidade de 370 m/min, a ferramenta também apresenta material depositado na sua superfície (Figura 11a), região 2, porém a aresta de corte permanece preservada. Na condição de 410 m/min, não foi observada a deposição de material na superfície da ferramenta e a sua aresta de corte também permaneceu preservada, entretanto, a superfície oposta à aresta de corte sofreu um desgaste abrasivo muito acentuado, região 1.

8 Figura 9. Micrografia das ferramentas de corte: a) Nova; b) Velocidade de corte de 200 m/min. Figura 10. Micrografia das ferramentas de corte: a) Velocidade de corte de 270 m/min; b) Velocidade de corte de 340 m/min. Figura 11. Micrografia das ferramentas de corte: a) Velocidade de corte de 370 m/min; b) Velocidade de corte de 410 m/min.

9 4. CONCLUSÃO Os resultados do artigo são resumidos como se segue: 1. Com o aumento da velocidade de corte verifica-se uma queda significativa da rugosidade, este dado é muito importante quando se tem a necessidade de obtenção de superfícies que exijam um excelente acabamento superficial e uma grande acuracidade dimensional. 2. O aparecimento da aresta postiça de corte (APC) é muito mais freqüente quando se trabalha em baixas velocidades de corte, a sua presença dificulta a obtenção de superfícies bem acabadas e dimensionalmente precisas. 3. A usinagem na presença de aresta postiça de corte causa deposição de partículas sobre a superfície provenientes provavelmente da própria (APC), além disso, ela propicia o aparecimento do fluxo lateral side flow, ambas características que levam ao aumento da rugosidade. 4. A disposição dos segmentos que compõe o cavaco pode ser um indicativo do aparecimento da aresta postiça de corte, pois a (APC) altera o ângulo de saída do cavaco na ferramenta de corte, o que dificulta o processo de deformação plástica do material para a formação do mesmo. 5. Nas ferramentas de corte é possível observar o efeito da rigidez da operação de torneamento, principalmente quando analisamos os danos a elas provocados pela deposição de cavaco e pela formação de marcas de desgaste como, por exemplo, desgaste de cratera e de flanco. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Diniz, A. E., Marcondes, F. C., Coppini N. L. Tecnologia da usinagem dos materiais. São Paulo, 1999: Editora M.M, pp Diniz, A.E. and Micaroni, R., Cutting conditions for finish turning process aiming: the use of dry cutting. International Journal of Machine Tools & Manufacture, March, vol. 42, pp Di Raimo, E. e Porto, A.J.V., 2001, Rugosidade e Espalhamento Luminoso em Superfícies de Alumínio Torneadas com Ferramenta de Diamante Monocristalino. Anais: XVI Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, Heinz, A., Haszler, A., Keidel, C., Moldenhauer, S., Benedictus, R. e Miller, W. S, Recent development in aluminum alloys for aerospace applications. Materials Science & Engineering, 2000, vol. A, No. 280, pp NBR 6405: - Rugosidade das Superfícies. Norma Brasileira Registrada, Brasil, Reis, A.M. e Silva, M.B, 2001, Análise das Superfícies Usinadas em Presença de Aresta Postiça de Corte. Anais: I Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação. Yousef, R. and Ichida Y, 2000, A study on ultra-high-speed cutting of aluminum alloy: Formation of welded metal on the secondary cutting edge of the tool and its effects on the quality of finished surface. Journal of the international societies for precision engineering and nanotechnology, January, vol. 24, pp

10 Elias Alves da Cunha. Laboratory of Machining Study, Department. of Material Engineering, FAENQUIL, Lorena/SP Brazil. PO Box. 116 Zip code Phone: (12) ; FAX: Marcos Valério Ribeiro Laboratory of Machining Study, Department. of Material Engineering, FAENQUIL, Lorena/SP Brazil. PO Box. 116 Zip code Phone: (12) ; FAX: INFLUENCE OF THE CUTTING SPEED IN ROUGHNESS WHEN MACHINING ALUMINUM ALLOYS. Abstract. In this work, analyses of the roughness in aluminum alloy (ASTM 6351 T6) had been made, in function of the cutting speed in cylindrical turning operations without the cutting fluid. The causes damages in the machining surface and in the cutting tool had been studied, also was made a correlation between the chip morphology and the obtained values of roughness. After the machining, the samples were analyzed in scanning electron microscope (SEM) with the aim to investigate the mechanisms, which influence the finish of machining surfaces. In the all analyzed samples were observed typical characteristic of machining surfaces, as feed marks, typical deformations of built-up edge (BUE) beyond deposited particles in the machining surface. A typical formation of the side flow mechanism was also observed. Keywords: Machining, aluminum, roughness, built-up edge.