ESTUDO DA FORÇA DE USINAGEM E DA RUGOSIDADE DA SUPERFÍCIE NO TORNEAMENTO DA LIGA DE ALUMÍNIO 2011-T4

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1 ESTUDO DA FORÇA DE USINAGEM E DA RUGOSIDADE DA SUPERFÍCIE NO TORNEAMENTO DA LIGA DE ALUMÍNIO 2011-T4 Mauro Paipa Suarez, juniorpaipa@hotmail.com João Paulo Silva Junqueira, jpsj592@gmail.com Álisson Rocha Machado, alissonm@mecanica.ufu.br Universidade Federal de Uberlândia, Av. João Naves de Ávila 2121 Campus Santa Mônica Resumo: Este trabalho tem por objetivo estudar a usinabilidade da liga de alumínio 2011-T4, para este fim é apresentado um estudo do comportamento da força de usinagem e do acabamento superficial da peça no torneamento com ferramentas de metal duro revestidas. Foram estudadas seis velocidades de corte entre 20 e 400 m/min, seis avanços por revolução entre 0,10 e 0,40 mm, três raios de ponta da ferramenta 0,4; 0,8 e 1,2 mm e o sistema lubrirefrigerante (seco e com fluido de corte na forma de MQF), cada uma destas variáveis foi analisada de forma isolada, mantendo as demais constantes. De forma geral, os resultados são coerentes com a literatura, ou seja, quanto maior a área da seção de corte maior a força de usinagem e pior o acabamento da superfície; o aumento da velocidade de corte reduziu a força de usinagem e aumentou a qualidade da peça; o raio de arredondamento maior resultou em menores valores de rugosidade; o uso de fluido lubrificante na forma de MQF não influenciou nos valores de força, mas, apresentou melhores acabamentos da peça usinada, estes resultados foram fornecidos com o intuito de prover informações técnicas que possam contribuir na melhor escolha dos parâmetros de corte para este tipo de liga. Palavras-chave: Torneamento do alumínio 2011 T4, Força de usinagem, Rugosidade da Superfície, MQF 1. INTRODUÇÃO O alumínio é o segundo metal mais utilizado em engenharia, superado apenas pelo aço. A sua principal desvantagem frente ao aço é sua resistência mecânica, mas quando se compara a relação resistência/peso, esta desvantagem pode reduzir ou desaparecer. Não obstante, atualmente existem várias ligas de alumínio que podem ultrapassar em mais de 50% a resistência mecânica do alumínio puro da classe Outras características que também contribuem para torna-lo atraente são: excelente resistência à corrosão, alta condutividade térmica e elétrica e principalmente sua baixa densidade e índice de reciclagem. Devido a estas características o alumínio esta presente em todas as áreas da indústria, principalmente na de alimentos, refinarias, automotiva, naval e aeronáutica. O uso do alumínio se vê restrito principalmente pelo seu baixo ponto de fusão quando comparado com outras ligas, este é de apenas 659 C (Callister, 2012). O alumínio é um material fácil de usinar, os maiores cuidados devem ser colocados no controle do cavaco e na precisão dimensional do produto final. Os cavacos longos deste material, pela sua grande ductilidade, são oriundos da sua estrutura cristalina CFC com múltiplos planos de escorregamento, comparando lhe com a maioria dos demais metais, principalmente os ferrosos o alumínio apresenta uma ductilidade considerável (Manna e Bhattacharyya, 2003), uma maneira de melhorar a usinabilidade do mesmo é com a adição de elementos de liga tais como cobre, zinco, silício e manganês entre os mais populares. As ligas menos dúcteis, como as da série 2XXX, 6XXX e 7XXX são exemplos claros do uso de elementos de liga para melhorar a usinabilidade (Santos Jr, 2012). Um bom projeto no quebra cavaco e bom acabamento da superfície da ferramenta também contribuem na obtenção de cavacos mais curtos. Já a precisão dimensional pode ser melhorada com o uso de parâmetros de corte adequados e uso abundante de fluido de corte. Este trabalho estuda uma ampla faixa de parâmetros de corte e tipos de ferramentas no torneamento da liga 2011-T4, com a finalidade de fornecer dados técnicos que possam facilitar a escolha dos parâmetros de corte mais adequados. 2. METODOLOGIA Os testes de torneamento foram realizados em um torno CNC - ROMI Multiplic 35D com capacidade de rotação de 10 a 3000 RPM e potência de 11kW (veja Fig. (1)). O material da peça foi uma barra cilíndrica de diâmetro 54,2 mm e comprimento de 500 mm da liga de alumínio 2011-T4 com resistência a tração de 310 MPa e uma dureza próxima ao 95 HV (Nascimento et al., 2013). A fixação da peça foi por meio de contra-ponta e um cabeçote pneumático de três castanhas que segura à barra em um comprimento de 100 mm, deixando um comprimento livre para corte de aproximadamente 380 mm. A usinabilidade do par ferramenta peça foi determinada pela medição das forças no corte e a rugosidade da peça. Para aquisição da força do corte foi utilizado um dinamômetro da marca Kistler, modelo 9265-B, fixado na mesa

2 principal do torno. Os sinais foram adquiridos a uma taxa de 6kHz e enviados para um aplificador da mesma marca. Para armazenagem dos dados no computador usou-se uma placa de conversão analógica - digital da PowerDAQ, modelo NI USB DAQPad-6251 Pinout 1.25 MS/s. O porta-ferramenta com geometria CSBPR 2525 M12 de fixação por grampo, fabricado pela Sandvik do Brasil S.A., foi fixado na plataforma piezelétrica com um comprimento em balanço de 50 mm, seguindo recomendações do fabricante do dinamômetro. Os insertos utilizados foram SPMR , da classe 4025 P25/K20 com triplo revestimento CVD (TiN+Al2O3+TiCN), fabricados pela Sandvik do Brasil S.A. FERRAMENTA DINAMÔMETRO Placa de aquisição NI; 2. Amplificador de sinal Kistler; 3. Dispositivo de armazenamento e visualização Figura 1 Metodologia de Captação do Sinal de Força. Os percursos de avanço para cada teste foram programados em função dos parâmetros de corte, isto, para garantir uma aquisição de pelo menos 5 segundos na medição da força e um percurso de pelo menos 15 mm para a realização das leituras de rugosidade. Nas medições de rugosidade foi utilizado um rugosímetro Mitutoyo SJ 201 com um cut-off de 0,8 mm. Os parâmetros mensurados: Ra, Rz e Rt, foram obtidos através de uma média de três leituras em diferentes pontos do corte. A Figura (2) apresenta um desenho esquemático dos testes realizados com as ferramentas de metal duro, usando três raios de ponta diferentes (0,4; 0,8 e 1,2 mm). Entre as características de maior interesse da ferramenta estão o ângulo de posição primário de 75 e ângulo de saída de 6 e o ângulo de folga de 5. Os testes com ferramenta de raio de arredondamento de 0,8 foram repetidos usando fluido de corte vegetal referência LB-2000 na forma de nevoa MQF a uma vazão de 60 ml/h na direção sobre cabeça. Figura 2 Desenho esquemático dos testes de usinagem. Com a finalidade de analisar a influência isolada de cada parâmetro de corte foi utilizado o planejamento ilustrado na Tab. (1).

3 Tabela 1. Parâmetros do corte Velocidade de corte [m/min] Avanço por rev.[mm] MQF R E [mm] 250 0,1 0,4 com 0, ,1 0,4 sem 0, ,1 0,4 sem 0, ,1 0,4 sem 1, ,15 sem 0,8 3. RESULTADOS E DISCUSÃO Em este item serão analisadas as influências nos resultados de força do corte e rugosidade da peça para cada variável alterada de forma isolada, ou seja, deixando as demais condições do corte fixas Influências do Raio de Arredondamento Força de usinagem Os resultados das componentes da força de usinagem mostram uma tendência de aumento da força com o uso de maiores raios de arredondamento devido a maiores áreas de contato. O raio de 1,2 mm apresentou um resultado fora do esperado. Isto devido provavelmente ao uso de uma profundidade de corte menor, devido ao uso de um único referenciamento da ferramenta e suporte montados e uma posterior troca do incerto, provavelmente o incerto de 1,2 mm apresentou uma aresta com maior afastamento da peça se comparada às outras duas ferramentas testadas. É interessante ressaltar os diferentes formatos da área aparente de contato entre a peça e a ferramenta com o uso de diferentes raios de arredondamento. O desenho esquemático da Fig. (3) representa as áreas de contato aparentes para uma produndidade de 1 mm e avanço de 0,4 mm/rev. para três ferramentas com raio de arredondamento 1,2; 0,8 e 0,4 mm. O aumento da força passiva para maiores raios de arredondamento pode ser observado no grafico da Fig. (3), onde a força passiva ultrapassa os valores da força de avanço. Esta mudança na direção e magnitude da força de usinagem deve-se principalmente a uma mudança na direção da formação do cavaco e da área de contato real. Figura 3 Forças no corte e ilustração da área de contato aparente para diferentes raios de arredondamento.

4 Rugosidade da peça. O gráfico da Fig (4) permite ilustrar a qualidade do acabamento da peça em função do uso de diferentes raios de arredondamento. Os resultados são coerentes com a teoria, quanto maior o raio de arredondamento menor é o valor da rugosidade. Também é possível observar para uma ampla faixa de avanços, nas ferramentas com 1,2 e 0,8 mm de raio de arredodamento, a rugosidade é constante. Machado et al. (2011) afirmam que maiores raios de arredondamento contribuem na usinagem dos picos da superfície usinada, também recomendam o uso de raios de arredondamento de pelo menos duas vezes o avanço da ferramenta. É evidente no gráfico da Fig. (4) como a rugosidade media Ra cresce de maneira proporcional ao quadrado do avanço para valores de avanço maiores a ½ do raio de arredondamento da ferramenta. Figura 4 Rugosidade media Ra em função do raio de aredondamento R E Influências do uso de fluido de corte Força de usinagem O fluido de corte aplicado com MQF não apresentou diferenças significativas em relação às compoentes da força de usinagem, o gráfico da Fig (5) apresenta este resultado comparando as situações a seco e com fluido em forma de nevoa. Figura 5 Forças no corte para usinagem a seco e com MQF 60 ml/h.

5 A variável que menos influencio na mudança do valor da força de usinagem foi o uso de fluido de corte na forma de MQF. O uso de fluidos nas ligas de alumínio é uma alternativa normalmente aplicada para diminuir o empastamento da liga na ferramenta, mas, no caso da liga 2011 T4, sua usinabilidade melhorada (cavacos curtos) é oriunda do seu principal elemento de liga o cobre e seu tratamento térmico que a fragilizam (Trent e Wright, 2000). Rugosidade da peça A aplicação de fluido de corte na forma de MQF tem uma ação principalmente lubrificante, o que resultou em uma leve diminuição da rugosidade para valores de avanço entre 0,1 e 0,3 mm/rev. O gráfico da Fig. (6) apresenta os valores de rugosidade Ra, Rt e Rz para uma faixa de avanços entre 0,05 e 0,4 mm/rev. Embora os valores de rugosidade com e sem uso de fluido de corte foram similares, visualmente o aspecto da peça usinada apresentava um acabamento mais lustrosso com o uso de fluido de corte Influência da Velocidade de corte Força de usinagem Figura 6 Rugosidade em função do uso de fluido de corte na forma de MQF. Podemos observar graficamente na Fig. (7), que para baixas velocidades de corte a força de usinagem é menor, isto devido à presença da Aresta postiça de corte (APC). Segundo Machado et al., (2011) a APC acontece em materiais que apresentam segunda fase e sofrem encruamento na ponta da ferramenta e aderidos por meio de ligações atômicas durante a formação do cavaco, este fenômeno é um processo repetitivo acumulando material na ponta da ferramenta e consequentemente aumentando o ângulo de saída, o que leva a menores esforços no cisalhamento do material. Figura 7 Forças no corte para diferentes velocidades de corte.

6 Conforme a velocidade de corte é incrementada a Aresta Postiça de Corte diminui proporcionalmente com o incremento da temperatura e a força de usinagem aumenta. No gráfico da Fig (7) a força apresenta novamente uma tendência de redução devido ao incremento proporcional da temperatura que leva a uma diminuição na resistência ao cisalhamento do material da peça. De acordo com Zorev (1966) valores de velocidade de corte superiores levam a uma desestabilização e diminuição da APC e a uma posterior tendência à diminuição da força de usinagem Rugosidade da peça O gráfico da Fig. (8) apresenta uma notável redução da rugosidade com o incremento da velocidade de corte. Segundo Machado et al. (2011) com o incremento da velocidade de corte a temperatura aumenta e isto leva a uma redução da resistencia da peça diminuindo os esforços no corte e consequantemente ondulações ou deformações da superfície usinada. Adicionalmente quando observados os parâmetros de rugosidade Rt e Rz é evidente a presença da APC (Aresta Postiça de Corte), partes de material encruado ficam aderidas e deformadas sobre a superfície da peça, tornando-a mais rugosa. Para esta liga metálica velocidades superiores a 150 m/min resultam em uma melhora do acabamento da superfície devido à diminuição ou até extinção da APC. 4. CONCLUSÕES Figura 8 Rugosidade em função da velocidade de corte Vc. O estudo da usinabilidade da liga de alumínio 2011-T4 dentro das faixas dos parâmetros de corte analisados permitiu concluir que: Tratando se de uma liga de alumínio de resistência relativamente reduzida, se com parada com outras ligas metálicas, é recomendado o uso de parâmetros de corte severos, os quais resultam na diminuição da aresta postiça de corte. É recomendado o uso de ferramentas que possuam raios de arredondamento elevados para diminuir o valor da rugosidade da peça. Isto considerando uma boa rigidez da maquina ferramenta e a geometria da peça, já que, maiores raios de arredondamento resultam em um incremento substancial da força passiva, a qual pode induzir flexões indesejáveis na peça na hora do corte. O uso de fluidos de corte na forma de MQF não é uma alternativa recomendável, pois, seus benefícios nos resultados de força e rugosidade foram pouco significativos. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à CAPES CNPq e FAPEMIG pelo apoio financeiro com as bolsas de estudo à FEMEC e ao programa de pós-graduação da engenharia mecânica da UFU pelas instalações e maquinaria para realizar os experimentos. 6. REFERÊNCIAS Callister Jr., William D., 2012, Ciência Engenharia de Materiais - Uma Introdução, LTC, Oitava Ed. Machado, A. R., Abrão, A. M., Coelho, R. T., Da Silva, M. B., 2011, Teoria da Usinagem dos Materiais, 2 Ed., São Paulo SP, Edgar Blucher, 397 pgs.

7 Manna, A; Bhattacharyya; B. A, Study on different tooling systems during machining of Al/SiC-MMC. Journal of Materials Processing Technology, n.140, 2. p Nascimento, M. N., Da Silva M. A., Sousa A., Barrozo M., Machado A. R., Relação Entre as Propriedades Mecânicas das Ligas de Alumínio e o Grau de Recalque, 7 Cobef, 20 maio 2013, Rio de Janeiro. Santos Jr, M. C, Emprego de Ferramentas Estatísticas para Avaliação da Usinabilidade de Ligas de Aluínio, 2012, Tese Doutorado, Femec Ufu, Uberlândia, Mg, Brasil, 230 pgs. Trent, E.M., Wright, P.K., Metal cutting. 4th ed. Butterworth Heinemann, Boston. Zorev N. N., Metal Cutting Mechanics, Pergamon Press, Oxford, DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

8 STUDY OF MACHINING FORCE AND SURFACE ROUGHNESS IN TURNING OF 2011 T4 ALUMINUM ALLOY Mauro Paipa Suarez, João Paulo Silva Junqueira, Álisson Rocha Machado, Universidade Federal de Uberlândia, Av. João Naves de Ávila 2121 Campus Santa Mônica Abstract: This work aims to study the machinability of 2011-T4 Aluminum alloy using the cutting forces and the surface roughness of the workpiece as an index. The machining process was turning worked out using cemented carbide coated tools. The cutting speed was varied in six levels from 20 to 400 m/min,the feed rate was evaluated in six levels from 0.05 to 0.4 mm/rev. The nose radious was varied in three levels 0.4, 0.8 and 1.2 mm. It was studied the environment condition comparing dry and Minimal Quantity of Liquid (MQL).All the variables were evaluated isolated leaving constant the others. Summarizing the results showed accord with the literature, thus, the larger the contact area the higher the cutting forces and the worst surface finishing. cutting speed High rates showed less cutting forces and consequently good surface finishing. The use bigger nose radios results in better surface finishing. The use of cutting fluids in MQL form doesn t shown significant reductions of cutting forces or surface quality. This results were collected looking to give more technical support in machining of this kind of alloys. Palavras-chave: Turning of aluminium 2011-T4,machinig force,surface roughness, MQL