ESTUDO DA FORMAÇÃO DE CAVACOS NO TORNEAMENTO DO AÇO 304L COM SISTEMA DE RESFRIAMENTO POR AR GELADO

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1 ESTUDO DA FORMAÇÃO DE CAVACOS NO TORNEAMENTO DO AÇO 304L COM SISTEMA DE RESFRIAMENTO POR AR GELADO Thiago Castro Freitas, 1 Lucas Alexandre de Carvalho, 1 Juliano Aparecido de Oliveira, 1 Sergio Luiz Moni Ribeiro Filho, 1 Lincoln Cardoso Brandão, 1 1 Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170 Centro São João del Rei Minas Gerais Resumo: A formação de cavacos tem grande influência nos processos produtivos de usinagem, principalmente nas operações de torneamento. Esta influência está relacionada com a necessidade de remoção de cavacos da região de corte, durante os processos de usinagem. O estudo da formação de cavacos tem o objetivo de proporcionar um melhor entendimento sobre a geometria do quebra cavacos e sobre os parâmetros de corte, para que se tenha uma quebra eficiente de cavacos. Este trabalho foi desenvolvido variando-se os parâmetros de corte e os sistemas de resfriamento para verificar qual a melhor condição de quebra dos cavacos para processo de torneamento. O material usinado foi o aço inoxidável AISI 304L devido à dificuldade de quebra de cavacos que os aços inoxidáveis apresentam. Foram feitas análises macrográficas de amostras de cavaco para a medição das principais dimensões no formato e realizada a definição da curvatura dos cavacos associada com os parâmetros de corte. Os resultados mostraram que o sistema alternativo de ar gelado proporciona uma maior curvatura do cavaco quando comparado com o sistema de mínima quantidade de lubrificante nas mesmas condições de corte. Além disso, a definição correta dos parâmetros de corte teve influência significativa na quebra dos cavacos. Palavras-chave:Torneamento, AISI 304L, cavaco, ar gelado. 1. INTRODUÇÃO A base para um melhor entendimento de todos os processos de usinagem está no estudo científico da formação de cavacos (Machado et al., 2009). O controle da formação do cavaco se mostra de grande importância, tendo em vista os prejuízos que podem ser causados pela presença de longos cavacos durante os processos de usinagem. Define-se cavaco, a porção de material da peça, retirada pela ferramenta, caracterizando-se por apresentar forma geométrica irregular (Ferraresi, 1977). A forma do cavaco tem influência significativa nos processos de usinagem, principalmente no torneamento, devido à necessidade de remoção deste material da região de corte, Em geral, quando a velocidade de corte aumenta, o campo de controle de cavacos tende a diminuir (Mitsubishi, 2014). O acúmulo de cavaco durante o processo de torneamento, especialmente em processos automáticos como em tornos CNC, pode interferir de diversas formas no resultado final do trabalho. Entre estas interferências pode-se destacar a segurança do operador, a perda de eficiência de refrigeração, influência no acabamento superficial do produto final e tempo de máquina parada para a retirada deste cavaco que pode emaranhar na peça usinada (Silva e Silva, 2006). O controle da formação do cavaco pode ser feito alterando os fatores que interferem diretamente na formação do cavaco. Conforme Noronha (2014), o material da peça, o avanço e a profundidade de usinagem são, nessa ordem, os parâmetros que mais influenciam a forma do cavaco. Contudo a velocidade de corte e o ângulo de saída da ferramenta também influenciam sua forma. Além disso, segundo Maity e Das (1998) os quebra-cavacos desempenham um papel predominante no controle efetivo do fluxo do cavaco e da quebra do cavaco. Quebra-cavacos têm a finalidade de diminuir o raio do cavaco, facilitando assim a quebra. De modo geral, nos processos de usinagem as elevadas tensões cisalhantes e as altas concentrações de energia térmica geradas durante a formação do cavaco favorecem os mecanismos de desgaste das ferramentas de corte, o que facilita a redução da vida da ferramenta, além de comprometer a integridade superficial da superfície usinada. Desse modo, os sistemas de refrigeração são comumente empregados em processos de fabricação a fim de retardar estes danos e atender as necessidades de lubrificação e refrigeração durante a remoção do material. Além disso, os sistemas de refrigeração podem reduzir a vibração do sistema e atuar como quebra-cavaco quando aplicada em alta pressão (Diniz et al., 2011; Machado et. al., 2011; Santos e Sales, 2007). Uma vez que o uso de fluido de corte pode trazer algumas desvantagens como, por exemplo, contaminação da água e do solo, aumento dos custos de bombeamento, filtragem, reciclagem e armazenamento, e até possíveis problemas de saúde para os operadores, há necessidade do emprego de métodos de refrigeração alternativos que sejam eficientes na remoção do calor da zona de corte e que não prejudiquem o meio ambiente (Trent e Wright, 2000; Micaroni, 2006). O ar gelado e o sistema de MQL têm sido considerados como boas alternativas para essa tarefa, apesar de não atender a

2 todos os questionamentos ambientais, apresentam uma grande capacidade de remoção de calor agredindo menos o meio ambiente. Este trabalho apresenta um estudo sobre cavacos obtidos a partir do torneamento de corpos de prova de aço inoxidável AISI 304L. Foi utilizado o ar gelado como sistema de refrigeração, em comparação com o MQL e usinagem a seco, afim de se avaliar a influência deste parâmetro na forma final do cavaco obtido. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Os experimentos foram realizados em corpos cilíndricos de aço inoxidável AISI 304L, no estado homogeneizado. Durante o processo de torneamento foram utilizados insertos da marca Sandvik Coromant. Os insertos possuem quebracavacos do tipo cratera, conforme mostrado na Figura 1. Cratera Figura 1. Indicação do quebra-cavacos na pastilha TNMG160404MF Os parâmetros de usinagem utilizados durante os experimentos foram escolhidos com base nos dados específicos para os insertos fornecidos pelo fabricante. Para a realização dos testes foi utilizado um centro de torneamento com 22,5 kw de potência e rpm alocado no laboratório de usinagem da Universidade Federal de São João del Rei. O Taguchi design foi utilizado para elaborar o planejamento dos experimentos e a análise de variância (ANOVA) foi aplicada para identificar os principais efeitos dos parâmetros de corte e do sistema de resfriamento sobre o raio de curvatura do cavaco do material. Os testes de torneamento foram realizados com dois valores de velocidades de corte, dois avanços, três tipos de ferramenta (raio de ponta) e três sistemas de resfriamento. A Tabela 1 mostra os níveis de cada um dos fatores de entrada para o arranjo ortogonal L36. Parâmetros Tabela 1. Condições utilizadas nos testes experimentais. Código da Pastilha TNMG MF / TNMG MF / TNMG MF Avanço da Ferramenta (mm/rot) 0,15 0,30 Velocidade de Corte (mm/min) Raio de Ponta (mm) 0,4 0,8 1,2 Condição de Refrigeração Ar Gelado MQL Seco Um microscópio ótico da marca Olympus modelo BX51 foi utilizado para analisar a curvatura do cavaco. As amostras de aço inox 304L foram lixadas com lixas de SiC (120, 200, 400, 600, 1200 e 1500) e polidas com alumina 5µ. A Figura 2 apresenta exemplos das medidas da curvatura do cavaco após o ataque com o reagente marble por 5 segundos na condição solubilizada. Figura 2. Raio da curvatura do cavaco.

3 3. RESULTADOS A análise de variância (ANOVA) foi realizada para verificar se os parâmetros de corte e os sistemas de refrigeração são estatisticamente significantes no processo de torneamento do aço inoxidável AISI 304L. A Tabela 2 mostra os resultados da análise de variância para a média do raio da curvatura do cavaco gerado no torneamento. A segunda coluna representa a soma dos quadrados ajustada (Adj SS Adjusted Square Sum), a terceira, exibe a média quadrada ajustada (Adj MS Adjusted Mean Square) a qual é calculada dividindo a soma dos quadrados ajustada pelo número de grau de liberdade (Adj SS/DF). O parâmetro F representa a relação-f, calculado dividindo a média quadrada ajustada de cada fator pela média quadrada ajustada do erro. O P-valor indica a probabilidade de que Adj MS fator e Adj MS erro de possuírem o mesmo valor, ou seja, a probabilidade que cada fator não influenciar o raio de curvatura do cavaco. Se o P-valor for menor ou igual a 0,05 é possível concluir que o efeito é significante. O valor de 0,05 indica o nível de significância, ou seja, a condição de 95% de probabilidade de o efeito ser significante. Os fatores relacionados ao P-valor inferior ou igual a 0,05 são considerados significativos. Os P-valores 0,004 e 0,019, sublinhados na Tabela 2, mostram que os fatores principais avanço e raio de ponta foram significantes no formato da curvatura do cavaco. O valor de R² (adj) exibido na ANOVA mede a proporção da variabilidade presente nas observações da variável resposta y que é explicada pelas variáveis preditoras presentes na equação de regressão (Wu e Hamada, 2000). Quanto mais próximo de 1 (ou de 100%) for R², melhor a qualidade da equação ajustada aos dados (Montgomery, 2005). O valor de R² ajustado (91,08%) indica que o ajuste do modelo foi satisfatório. Tabela 2. Análise de variância para o raio de curvatura do cavaco. Fatores Experimentais Adj SS Adj MS F P Avanço 0,9402 0,9402 9,88 0,004 Velocidade 0,169 0,169 1,42 0,242 Raio de ponta 0,8971 0,4485 4,5 0,019 Refrigeração 0,057 0,029 0,23 0,799 R² 91,08% A Figura 3 apresenta os efeitos principais dos parâmetros de corte e sistemas de refrigeração para o raio da curvatura do cavaco. O aumento do avanço de 0,15 para 0,30 gerou uma redução de 21,97% no raio da curvatura do cavaco. Em relação ao avanço observa-se que houve uma confirmação de um maior dobramento do cavaco o que em grande parte pode ter gerado cavacos em lascas e menores com menores raios de curvatura. Considerando a velocidade de corte nota-se que não pode ser definido que tenha ocorrido uma variação no raio de curvatura do cavaco proporcional ao aumento da velocidade, conforme observa-se no P-valor da Tab.2. O aumento do raio de ponta de 0,4-1,2 mm proporcionou um aumento de 34,02% no raio de curvatura do cavaco do aço inoxidável 304L. Observa-se uma tendência crescente entre o raio de curvatura do cavaco e o raio de ponta. O tipo de ferramenta, considerando os raios de ponta empregados, é o segundo fator que mais influência o raio de curvatura do material já que o valor de relação-f é maior para o avanço. A diferença percentual do raio de curvatura entre os sistemas de refrigeração não foi relevante, a maior diferença foi de 6,75% entre o sistema de MQL e de ar gelado. Figura 3. Efeito principal dos parâmetros de corte e do sistema de resfriamento para o raio de curvatura do cavaco.

4 3.1. Análise topográfica do cavaco As micrografias dos cavacos, apresentadas na Figura 4, evidenciam as curvaturas dos cavacos obtidos em todas as condições experimentais. Percebe-se que independente das variações de velocidade, avanço, ferramenta e sistema de refrigeração os cavacos obtidos apresentaram formatos curtos em forma de arco solto e arco conectado. Desse modo, pode-se considerar que os cavacos formados exibiram um misto de curvatura lateral e vertical e se quebraram com o choque da superfície de saída do inserto. As condições experimentais que apresentaram as curvaturas de menores raios foram os experimentos com avanço de 0,3 mm/rot, velocidade de corte de 215 m/min, raio de ponta de 0,4 mm e sistema de refrigeração de ar gelado. Em relação à coloração dos cavacos obtidos observou-se que a geração de cavacos com coloração variando de incolor a azul claro. De modo geral, uma análise qualitativa em relação à coloração dos cavacos, mostra que tanto os cavacos mais longos como os cavacos mais curtos apresentaram tons claros e tons escuros. Portanto, considerando a relação entre as velocidades de corte com o raio de curvatura torna-se complexo analisar de forma qualitativa esses resultados. Já os cavacos mais curtos apresentaram cores mais azuladas, o que indica o desenvolvimento de temperaturas maiores. Os cavacos mais longos foram obtidos principalmente pelo raio de ponta de 1,2 mm, enquanto os arcos mais curtos para o raio de ponta de 0,4 mm. Ferramenta = 0,4Ar Ferramenta = 0,4MQL Ferramenta = 0,4Seco Ferramenta = 0,8 Ar Ferramenta = 0,8 MQL Ferramenta = 0,8Seco Ferramenta = 1,2 Ar Ferramenta = 1,2MQL Ferramenta = 1,2 Seco

5 Ferramenta = 0,4 Ar Ferramenta = 0,4MQL Ferramenta = 0,4 Seco Ferramenta = 0,8 Ar Ferramenta = 0,8 MQL v c=290 m/min Ferramenta = 0,8 Seco Ferramenta = 1,2 Ar Ferramenta = 1,2 MQL Ferramenta = 1,2 Seco Ferramenta = 0,4 Ar v c=215 m/min Ferramenta = 0,4 MQL v c=215 m/min Ferramenta = 0,4 Seco Ferramenta = 0,8Ar Ferramenta = 0,8 MQL v c=215 m/min Ferramenta = 0,8Seco

6 Ferramenta = 1,2Ar Ferramenta = 1,2MQL v c=215 m/min Ferramenta = 1,2 Seco Ferramenta = 0,4Ar Ferramenta = 0,4MQL Ferramenta = 0,4Seco v c = 290 m/min Ferramenta = 0,8 Ar Ferramenta = 0,8 MQL Ferramenta = 0,8 Seco 4. CONCLUSÃO Ferramenta = 1,2Ar Ferramenta = 1,2 MQL Figura 4. Micrografias da curvatura do cavaco. Ferramenta = 1,2 Seco Este trabalho apresentou o estudo de formação de cavacos no torneamento do aço inoxidável AISI 304L, e pode-se concluir que: O avanço e o raio de ponta da ferramenta foram as variáveis significativas para o raio de curvatura do cavaco; O avanço de 0,3 mm/rot, a velocidade de 215 m/min e raio de ponta de 0,4 mm foram os parâmetros de processo que mais proporcionaram redução do raio de curvatura do cavaco; O tipo de ferramenta, considerando a variação do raio de ponta, apresentou uma tendência em aumentar o raio de curvatura do cavaco, sendo proporcional ao aumento do raio de ponta da ferramenta;

7 A diferença percentual do raio de curvatura entre os sistemas de refrigeração não foi relevante, a maior diferença foi de 6,75% entre o sistema de resfriamento de MQL e de ar gelado; Os cavacos apresentaram uma deformação visível na área da microestrutura demonstrando que pode ter ocorrido o encruamento dos grãos do material; O avanço foi o fator mais influente para o raio de curvatura do cavaco; Os cavacos obtidos apresentaram formatos curtos em forma de arco solto e arco conectado. 5. REFERÊNCIAS Diniz, A. E.; Marcondes, F.C.; Coppini N. L., Tecnologia da Usinagem dos Materiais, 7ª Edição, MM Editora, 262 pgs. Ferraresi, D., 1977, Fundamentos da Usinagem dos Metais, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, Brasil, 751 p. Machado, A. R.; Abrão, A. M.; Coelho, R. T.; Silva, M. B., 2011 Teoria da Usinagem dos Materiais, Editora Edgard Blucher, São Paulo SP, 2 a Edição, 397 pg., ISBN: Machado, A.R., Abrão, A.M., Coelho, R.T., Silva, M.B., 2009, Teoria da Usinagem dos Materiais, Ed. EdgardBlücher, São Paulo, Brasil, 371 p. Maity, K.P., Das, N.S., 1998, A Slip-line Solution to Metal Machining Using a Cutting Tool with a Step-type Chipbreaker, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 79, pp Micaroni, R., Influência do fluido de corte sob pressão no processo de torneamento do aço ABNT 1045, Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Tese de doutorado. Mitsubishi, 2014 Controle de cavacos para torneamento - Condições de controle de cavacos no torneamento de aço, ntol.html, acesso em 01/04/2015. Montgomery D. C., Design and analysis of experiments. 6 a edition. Arizona: John Wiley & Sons, Inc. Noronha, A.M., Desenvolvimento de um quebra cavacos para ferramentas de metal duro utilizadas na operação de roscamento do aço ABNT 4133 modificado, Mestrado (Dissertação de Mestrado), Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 107 p. Santos S. C.; Sales W. F., Aspectos tribológicos da usinagem dos materiais São Paulo: Artliber Editora, 249 pg. Silva, F.C.S. e Silva M.B., 2006, Diagnóstico do processo de torneamento do aço inoxidável abnt 304 através do estudo da formação do cavaco, 16º POSMEC Simpósio de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. Universidade Federal de Uberlândia. Trent, E. M.; Wright, P. K, Metal Cutting. 4 th Edition, Butterworths Heinemann. Londres, 446 p. Wu C. F. J., Hamada M., Experiments: planning, analysis, and parameter design optimization New York: John Wiley & Sons. 6. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. CHIP FORMATION STUDY IN THE TURNING OF THE 304L STAINLESS STEEL WITH COLD AIR Thiago Castro Freitas, thiagocastrofreitas@hotmail.com 1 Lucas Alexandre de Carvalho, lucasalecarvalho@gmail.com 1 Juliano Aparecido de Oliveira, jao687@hotmail.com 1 Sergio Luiz Moni Ribeiro Filho, sergiolmrf@gmail.com 1 Lincoln Cardoso Brandão, lincoln@ufsj.edu.br 1 1 Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170 Centro São João del Rei Minas Gerais

8 Abstract: The chip formation has great influence on parameters of production in machining, mainly in turning processes. This influence is related to need of clean of the chips in cutting region during machining processes. Studies on chip formation have the aim of generates a better understanding about chip breaker geometry and cutting parameters improving the performance of chip breaker. This work was developed with a range of cutting parameters and different cooling systems to define the best cutting condition for the chip breaker and the parameters of turning process. Work pieces of 304L stainless steel were applied because it is a steel considered a hard-to-cut material. Micrographic analyses were produced to define the main chip dimensions and provide information between the chip radii and cutting parameters. The results showed that, the alternative cooling system based on cold air provided radii greater than MQL system for both cutting conditions. Furthermore, the correct setup of cutting parameters has great influence on chip break. Key-words: Turninig, 304L stainless steel, chip, cold air.