ANÁLISE DA USINABILIDADE DOS AÇOS INOXIDÁVEIS AISI 304 E AISI 420 DURANTE O PROCESSO DE TORNEAMENTO EXTERNO CILINDRICO ¹F. M. MARQUES; ¹F. M. UGIONI; ¹L. C. CAVALER; ²A. S. ROCHA; ¹E. I. CURI Rua Pascoal Meller, 73, Bairro Universitário, Criciúma-SC. CEP: 88805380 fernando.marques@satc.edu.br ¹Faculdade SATC; ²UFRGS RESUMO Os gestores industriais dos segmentos de usinagem, precisam conhecer a usinabilidade dos materiais, para que as estratégias de produção alcancem as metas de produtividade e viabilidade econômica desejadas. Os aços inoxidáveis se caracterizam por serem materiais de difícil usinabilidade. Nesse estudo foram executados passes severos de desbaste cilíndrico externo (torneamento), sem utilização de meios refrigerantes, nos aços AISI 304 e AISI 420. Na análise global dos resultados foi comparado rugosidade média superficial (R a ), o desgaste de flanco VB máx (desgaste de flanco máximo) e temperatura de corte, além da caracterização do tipo de desgaste predominante nas amostragens. Evidenciando o menor desempenho do AISI 304, frente aos testes de usinagem propostos neste trabalho, qualificando o AISI 304 como material de usinabilidade inferior ao AISI 420. PALAVRAS-CHAVE: Usinabilidade, AISI 304, AISI 420, Torneamento, Desgaste de flanco INTRODUÇÃO Parte da estratégia industrial para conduzir a produção dentro das metas de produtividade estipuladas pela gestão empresarial, está correlacionada com estudos de usinabilidade dos materiais. Nesse contexto a usinabilidade pode ser definida como uma grandeza comparativa, entre as propriedades de usinagem de um certo material. Na prática a usinabilidade expressa o grau de dificuldade que um material oferece no momento da remoção de cavaco (Diniz et al., 2006). Empresas do ramo de cutelaria, biomedicina e ferramenteira por exemplo, possuem grande interesse na usinabilidade dos aços inoxidáveis, uma vez que estes 4481
materiais atendem às normas específicas de produtos de maior valor agregado, além de oferecem elevada resistência à corrosão e características mecânicas melhoradas, quando comparados aos outros tipos de aços. (Carvalho, 2000) Os aços inoxidáveis não apresentam uniformidade nos fatores de usinabilidade, esta característica é observada devido a composição química que define cada tipo de aço inoxidável comercial, como os austeníticos, martensíticos e ferríticos (SECO, 2002). Para melhorar esta característica normalmente é adicionado enxofre na composição química, em teores controlados. O enxofre tem a função de formar sulfetos de manganês na matriz microestrutural, melhorando o índice de deformidade desse novo material, o que facilita a quebra do cavaco na zona de cisalhamento, bem como o escoamento do cavaco arrancado sobre a ferramenta (Carbó, 2000). Esses fatores contribuem para a maior usinabilidade e qualidade superficial (baixa rugosidade) dos aços inoxidáveis. Isso se torna possível uma vez que a aresta de corte das ferramentas é preservada por um maior tempo, devido a diminuição do esforço de corte e acúmulo de cavado sobre a área da usinagem, assim como a menor temperatura do gume da ferramenta de corte. (Oberg, 2000) Este trabalho foi elaborado com o intuito de investigar a usinabilidade dos aços AISI 304 e AISI 420 (recozido), para tanto, parâmetros de corte severos foram selecionados intencionalmente para acelerar o processo de desgaste de flanco da ferramenta de corte, e com isso tecer discussões sobre o comportamento dos aços inoxidáveis conforme as medições de rugosidade da superfície usinada e desgaste da ferramenta de corte a cada passe de usinagem, e medição de temperatura do esforço de corte no momento da usinagem. MATERIAIS E MÉTODOS Este capítulo apresenta o planejamento experimental, procedimentos experimentais e a descrição dos equipamentos e recursos utilizados para a realização deste trabalho. Parâmetros de corte Os aços inoxidáveis foram usinados com parâmetros de corte fixos, pois o objetivo foi de avaliar a usinabilidade por comparação dos mesmos e foi 4482
determinado um único parâmetro de velocidade de corte (V c ), avanço F n e profundidade de corte (a p ) representados na Tab 1. Tab 1 - Parâmetros de corte utilizado para os ensaios de usinagem Material Vc [m/min] a p [mm] f n [mm/rot] AISI 304 200 0,5 0,1 AISI 420 200 0,5 0,1 Os insertos utilizados para análise de desgaste foram do fabricante ZCCT-CT, modelo TNMG160404R-FM, classe de metal duro ISO M (indicado para aços inoxidáveis), no qual indicavam os parâmetros médios de velocidade de corte de 220 m/min, faixa de avanço media (f n ) de 0,2 mm/rot e profundidade de corte máxima de 3,0 mm. Medição de desgaste Para análise de desgastes dos insetos foi utilizado um estereoscópio óptico modelo BW1008-500X, com conexão USB e software para medição das imagens adquiridas, medição esta realizada através da conversão de pixel para milímetros, definindo assim o desgaste de flanco dos insertos. Para medição de desgaste das ferramentas foram utilizados insertos novos, a partir das mesmas, analisado quanto desgastou de seu flanco (VB max ). A Fig. 1 mostra como foi realizado as medições de desgaste de flanco, com seus respectivos valores. Fig. 1 - Inserto com indicação de flanco. Para a análise de desgaste, foi realizada, por comparação dos dois materiais, e medido no mesmo comprimento usinado, assim minimizando possibilidades de erros de medição, e sempre com uma medição e duas réplicas, gerando assim valores estatísticos. 4483
Máquina e materiais para testes de usinagem O material utilizado para realização dos testes de usinagem foram barras trefiladas de aços inoxidável AISI 304 e AISI 420, com diâmetro de 50,8 mm (2 ), comprimento de 550 mm. Para a realização dos testes de usinagem foi utilizado um torno cnc modelo Centur 30D, fabricante ROMI, com potência de motor de 5 cv, acionado por um comando modelo MACH 9. Os testes foram realizados entre placa e ponta, devido ao comprimento a ser usinado ultrapassar a relação comprimento pelo diâmetro, maior que 3. Com a necessidade de fixação na máquina por parte das barras, foi indexado 50 mm de comprimento de cada barra, para dentro da placa, afim de garantir uma boa fixação das mesmas na máquina, fixação representada pela Fig. 2. Fig. 2 - Barra de inox fixada entre placa e ponta. Medição de temperatura e rugosidade Para medição de temperatura foi utilizada um termovisor modelo TIR32, fabricante Fluke. Para leitura das medições de temperatura foi utilizado o software SMARTVIEW, fornecido pelo próprio fabricante da câmera. Para realização das medições de rugosidade foi utilizado um rugosímetro modelo TR 100, onde foi determinado o parâmetro de rugosidade R a para análise comparativa do índice de usinabilidade dos materiais. 4484
ANÁLISE DE RESULTADOS Neste capitulo serão apresentados os seguintes resultados: medição de desgaste das ferramentas, rugosidade superficial, medição de temperatura. Medição de rugosidade Para a medição de rugosidade foi determinado que seriam realizadas medições a cada passe da ferramenta na peça, ou seja, a cada 500 mm de comprimento usinado. A tabela 2 indica os valores de rugosidade média, encontrados durante o teste. Tab. 2 - Valores de rugosidade media superficial R a [µm] Material 1 passe 2 passe 3 passe 4 passe 5 passe AISI 420 0,93 µm 1,11 µm 2,06 µm 1,8 µm 1,87 µm AISI 304 0,91 µm 1,15 µm 1,16 µm 2,01 µm 2,20 µm Conforme valores indicados na Tab. 2, percebe-se valores de rugosidade R a, menores para o AISI 420, valores estes, inferiores em alguns pontos de medição, podendo ser justificado pela usinabilidade melhorada em relação ao AISI 304, pois o baixo teor de Carbono origina cavacos mais longos, ocorrendo durante a usinagem a fricção dos cavacos na superfície já usinada. Como parâmetro de rugosidade para analisar a usinabilidade dos inoxidáveis em questão, estima-se que o AISI 420 possui usinabilidade melhor que o AISI 304. Medição de desgaste Conforme mencionado anteriormente, e adotado como padrão metodológico, os valores de medição de desgaste de ferramenta foram obtidos no mesmo ponto de medição para os dois materiais e analisados conforme imagens apresentadas na Tab. 3. 4485
Tab. 3- Valores de desgaste de flanco de cada passe por material AISI 304 AISI 420 1 5 A tabela mostra que os valores de desgaste de flanco VB max, foram maiores em todas medições para o aço AISI 304, valores que conforme a normas ABNT 6258, indicam fim de vida da ferramenta, para processos de torneamento, de VB max = 0,2 mm. Segundo literatura encontrada, na família dos aços inoxidáveis, os austeníticos são considerados os de usinabilidade mais dificultada em virtude de seus elementos de liga como o Níquel e pelo seu baixo percentual de Carbono, ocasionando desta forma maior atrito dos cavacos na superfície de folga da ferramenta, e maior encruamento do material. Segundo análise das imagens obtidas, os mecanismos de desgaste que prevaleceram, durante o processo de torneamento, foi adesão do material na superfície da ferramenta seguido de desgaste por entalhe, claramente evidenciado na Fig. 3. 4486
Fig. 3 - Ferramenta com desgaste por entalhe após usinagem do aço AISI 304 Medição de temperatura Com base nos valores adquiridos pela análise de temperatura da câmera termográfica, durante o processo de torneamento dos aços AISI 420 e 304, com valores de parâmetros de corte idênticos para as duas condições, fica evidenciado o aumento da temperatura durante o corte durante o processo de desgaste de flanco (Fig. 3), da ferramenta utilizada. Em relação a troca de material usinado, percebe-se visualizado na Tab. 4, que o AISI 304, obteve maior temperatura, comparando com o AISI 420, possivelmente pela formação de cavacos contínuos durante o processo de usinagem. Característica típica de materiais com baixo percentual de carbono, originando maior atrito do cavaco na superfície de saída da ferramenta de corte, dificultando desta forma a troca de calor. O encruamento dos aços inoxidáveis austeníticos também pode ser atribuindo ao aumento de temperatura, em relação aos martensíticos, pois dessa forma aumenta sua resistência mecânica ao cisalhamento, gerando um aumento do esforço de corte, que, por consequência aumento de temperatura durante o processo. A fig. 4 mostra o ponto onde foi realizado as medições de temperatura durante usinagem. Fig. 4 - Imagem normal AISI 420 1 passe, indicando 187,9 C. 4487
Tab. 4- Imagens termográficas durante usinagem. AISI 304 AISI 420 1º Passe 5º Passe CONCLUSÃO A manutenção do gume da ferramenta, analisada a partir do desgaste de flanco da ferramenta VB max, é um fator determinante para o índice de usinabilidade dos aços AISI 304 e 420, apesar de serem da mesma família dos aços inoxidáveis, apresentaram valores diferentes, indicando que o AISI 420 apresentou um valor de desgaste de flanco diferente e inferior ao AISI 304. Uma possível solução para redução do desgaste de flanco na usinagem dos aços inoxidáveis, seria a utilização de fluidos lubri-refrigerantes para diminuição da temperatura durante o corte, facilitando o escoamento dos cavacos na superfície de saída da ferramenta. Em termos de rugosidade superficial media R a, da superfície usinada, os valores de rugosidade para o AISI 420 foram inferiores, evidenciando que o AISI 304 possui usinabilidade inferior ao AISI 420. O aumento de temperatura do AISI 304 em relação ao AISI 420, pode ter sido por consequência do encruamento acentuado do austenítico em relação ao martensíticos, isso afetando o esforço de corte do material, prejudicando assim a 4488
vida da ferramenta e o processo de expulsão do cavaco, formando cavacos longos e contínuos, aumentando assim a fricção do cavaco sobre a ferramenta. BIBLIOGRAFIA CARBÓ, HÉCTOR MARIO. 2000. Aço inoxidável, aplicações e especificação. s.l. : acesita, 2000. CARVALHO, JOSÉ ANTONIO NUNES DE. 2000. aços inox - características e propriedades de uso. seminário inox 2000. acesita. 2000. DINIZ, ANSELMO EDUARDO, MARCONDES, FRANCISCO CARLOS E COPPINI, NIVALDO LEMOS. 2008. Tecnologia da usinagem dos materiais. são paulo : artliber, 2008. OBERG, ERIK, et al. 2000. Machinery s handbook. new york : industrial press inc., 2000. SECO, TOOLS. 2002. Novidades seco e opiniões ao redor do mundo. The new edge. 2002, 4, pp. 18-21. ANALYSIS OF MACHINABILITY STAINLESS AISI 304 AISI 420 AND DURING CYLINDRICAL EXTERNAL TURNING ABSTRACT The managers of industrial machining segments, need to know the machinability of materials so that production strategies to achieve productivity goals and desired economic viability. Stainless steels are characterized by being difficult to cut materials. In this study severe external cylindrical grinding passes (turning) were performed without use of refrigerants means in AISI 304 and AISI 420. Global analysis of the results was compared average surface roughness (R a ), flank wear VB máx (wear maximum) flank and cutting temperature, and characterizing the predominant wear in samplings. Showing the lowest performance of AISI 304, compared to machining tests proposed in this paper, describing the AISI 304 and AISI 420 below the machinability material. KEYWORDS: Machinability, AISI 304, AISI 420, Turning, Flank wear 4489