MÁRCIO VERISSIMO CASAGRANDA ESTUDO DA USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO AISI 303

MÁRCIO VERISSIMO CASAGRANDA ESTUDO DA USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO AISI 303 Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Engenheiro Mecânico. Orientador: Prof. Heraldo J. Amorim Porto Alegre 2004

2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Mecânica ESTUDO DA USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO AISI 303 MÁRCIO VERISSIMO CASAGRANDA ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOS REQUISITOS PARA A OBTENÇÃO DO DIPLOMA DE ENGENHEIRO MECÂNICO APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA BANCA EXAMINADORA: Prof. Dr. Flávio J. Lorini Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica Prof. Dr. Flávio J. Lorini DEMEC/UFRGS Prof. Dr. José Antonio E. Mazzaferro DEMEC/UFRGS Prof. Sílvia Dornelles Souza DEMEC/UFRGS Porto Alegre 2004

Dedico este trabalho ao meu avô Leo Casagranda (em memória). 3

4 AGRADECIMENTOS Gostaria de agradecer: ao meu orientador Prof. Heraldo J. Amorim pela dedicação e paciência demonstrados... ao engenheiro Ricardo Mombrú, que gentilmente permitiu o uso dos equipamentos do laboratório de usinagem do SENAI/CETEMP... aos meus pais Edmundo e Isabel, que sempre incentivaram meus estudos... aos estagiários do senai Daniel Silva e Aline Zinke, pelo auxílio na execução dos ensaios... à Valdoir Mello dos Santos, pela doação das ferramentas de MD utilizadas... aos amigos César Muller, Daniel Mundstock e Marcelo Michellon pela ajuda... à Carolina Pilla, pelo companheirismo e compreensão durante todo o curso.

Este trabalho contou com apoio das seguintes entidades: - Lesi Comércio e Representações Ltda (Representante Seco) - Laboratório de usinagem SENAI/CETEMP - Laboratório de Usinagem da UFRGS. 5

6 Somos o que fazemos, mas somos principalmente, o que fazemos para mudar o que somos. Eduardo Galeano

7 CASAGRANDA, M. V. Estudo da Usinabilidade do Aço Inoxidável Austenítico AISI 303. 2004. 25f. Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica) Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2004. RESUMO Neste trabalho estuda-se a usinabilidade do aço inoxidável austenítico AISI303, com adição de enxofre e fósforo. O comportamento do material foi estudado levando-se em conta a vida das ferramentas e os esforços de corte. Foram realizados experimentos para determinar as constantes de Kienzle, utilizando ferramentas de aço rápido e metal duro e para avaliar a equação de Taylor do material. Os resultados experimentais mostraram que o material possui boa usinabilidade com respeito aos esforços de corte e com relação ao comportamento, bastante estável durante o corte. Através da análise dos dados obtidos fica clara a influencia da composição química na usinabilidade do aço inoxidável austenítico. PALAVRAS-CHAVE: Usinabilidade, Aço Inoxidável Austenítico, Força de corte, Pressão de corte, Vida de Ferramenta.

8 CASAGRANDA, M. V. Machinability Study of Austenitic Stainless Steel AISI 303. 2004. 25f. Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica) Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2004. ABSTRACT In this work a study is carried out to evaluate the machinability of the AISI 303 austenitic stainless steel, with sulfur and phosporous addition. The behaviour of the material was studied concerning tool lives and cutting efforts. Experiments were done to determinate the Kienzle constants using high speed steel and carbide tool, and to evaluate the Taylor equation of the material. Experimental results showed that the material has good machinability as spite the cutting force and specific cutting pressure as spite of its behavior under machining. Through analisys of obtained data, the influence of the alloy composition on the machinability of the austenitic stainless steel become clear. KEYWORDS: machinability, austenitic stainless steel, cutting force, specific cutting pressure, tool life.

9 SUMÁRIO 1 - ABSTRACT 8 2 - INTRODUÇÃO 10 3 - REVISÃO BIBBLIOGRÁFICA 10 2.1 Aços Inoxidáveis 10 2.2 Usinabilidade 11 2.3 Forças de corte e Pressão específica de corte 11 2.4 - Cálculo da Pressão específica de corte 13 2.5 Desgaste e Vida de ferramentas 13 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 14 3.1 - Equipamentos 14 3.2 - Material 14 3.3 - Metodologia 15 4 RESULTADOS TEÓRICOS 16 5- RESULTADOS EXPERIMENTAIS 17 5.1 - Resultados de força e pressão específica de corte 17 5.2 - Resultados com ferramenta de aço rápido 18 5.3 Resultados de vida de ferramenta 20 6 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 20 6.1 Força e pressão específica de corte na usinagem com ferramenta de metal duro 20 6.2 Aço Rápido 21 6.3 Desgaste de flanco e vida de ferramenta 21 7 CONCLUSÕES 22 8 REFERÊNCIAS 23 9- BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 24 10 ANEXOS 25

10 1 INTRODUÇÃO Operações de usinagem possuem grande aplicação em diversos ramos da indústria. Para se compreender as operações de usinagem, é necessário levantar uma série de características. Uma das principais características que se quer conhecer é a usinabilidade de um material. Os ensaios de laboratório fornecem informações importantes para a determinação da usinabilidade, entre elas podem ser citadas, forças de corte, acabamento superficial, desgaste das ferramentas, potência de corte, entre outras. Sabendo-se que os aços inoxidáveis austeníticos representam o maior grupo de inoxidáveis utilizados, e sabidamente de difícil usinabilidade, torna-se importante o estudo da usinabilidade deste material. O presente trabalho tem o objetivo de estudar a usinabilidade destes aços, tomando como parâmetros, os esforços de corte resultantes em relação a variação do avanço, assim como comparar os resultados experimentais com os resultados calculados teoricamente. A usinabilidade também será estudada, avaliando-se o desgaste da ferramenta de corte, quando submetida a diversas velocidades. Portanto a proposta do trabalho é avaliar o comportamento da força e pressão de corte, quando submetido à diferentes velocidades de avanço, e estudar o desgaste e a vida das ferramentas a fim de avaliar a usinabilidade do aço inoxidável austenítico AISI303. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis são ligas de ferro e carbono que contém ainda um percentual elevado de cromo(de 10 a 30%). A adição do cromo inibe a oxidação do ferro tornando o aço menos suscetível à oxidação. Dentre os aços inoxidáveis existem três classificações: ferríticos, martensíticos e austeníticos. O material analisado neste trabalho pertence ao grupo de aços inoxidáveis austeníticos (AISI 303). Estes aços possuem em sua composição química, além de ferro, carbono e cromo, um percentual elevado de níquel, cuja função é estabilizar a austenita à temperatura ambiente. Outro componente que pode substituir o níquel para estabilizar a austenita é o manganês, porém deve ser acrescentado em maior quantidade. Os aços inoxidáveis austeníticos são uma das classes de materiais que apresentam pior usinabilidade, devido aos elevados esforços necessários para que ocorra remoção de material. Apesar de pertencer ao grupo dos aços inoxidáveis austeníticos, o aço AISI 303 é considerado um aço de usinabilidade melhorada, devido ao fato de possuir grande quantidade de enxofre em sua composição química. Porém, apesar do teor elevado de enxofre, este aço tem uma ductilidade bastante elevada e por esta propriedade tende a formar aresta postiça de corte. A composição do aço AISI303 é a indicada na tabela 1 abaixo. Tabela 1 Composição química do aço inoxidável AISI 303. Fonte: Chiaverini, 1990 Composição Química (%) Aço C Mn Si P S Cr Ni Mo AISI 303 0,15máx 2,00máx 1,00máx 0,20máx 0,15 min 17-19 8-10 0,60máx

11 2.2 Usinabilidade Segundo Ferraresi, 1970, a usinabilidade pode ser definida como uma grandeza tecnológica que expressa um conjunto de propriedades de usinagem de um material em comparação a outro tomado como padrão. A usinabilidade dos materiais pode ser determinada através de diversas variáveis, chamadas critérios de usinabilidade. Diversas grandezas podem ser usadas como critérios de usinabilidade, porém, segundo diversos autores, (Ferraresi, 1970, stemmer, 1995, Diniz et. al., 1999) os principais são os relativos aos esforços observados na usinagem, acabamento superficial dos componentes fabricados e tempo de vida da ferramenta. A usinabilidade de um material deve ser avaliada de forma cuidadosa. Isto se deve ao fato de que um material pode ter um excelente usinabilidade em relação a um critério, porém um usinabilidade baixa quando estudada em relação a outro. De modo geral, diz-se que a usinabilidade tende a refletir o interesse direto do fabricante. Diversos fatores influenciam na usinabilidade dos materiais. Dentre estes, o mais importante é a sua composição química. Alguns materiais podem ser adicionados como elementos de liga em aços, com a função de melhorar alguma característica de usinagem destes. Estes materiais são chamados aditivos de corte fácil. A adição de enxofre é bastante empregada na fabricação de aços com usinabilidade melhoradas. O enxofre combina-se com o manganês formando sulfeto de manganês (MnS), que atua na usinabilidade do material diminuindo os esforços através de três mecanismos: a) ocorrência de uma camada de MnS, que adere à superfície de saída da ferramenta, reduzindo as forças de corte através da redução do atrito entre cavaco e ferramenta; b) aumento na vida da ferramenta, através da proteção oferecida à aresta de corte e à superfície de saída pela camada de MnS, que diminui os desgastes por abrasão e difusão; c) redução das forças de corte através da diminuição da resistência ao cisalhamento do material. O fósforo também é bastante empregado como aditivo de corte fácil, sendo adicionado com a finalidade de aumentar a dureza e resistência mecânica do aço, o que facilita a quebra do cavaco e reduz a ocorrência da aresta postiça de corte. Outros materiais que afetam de forma positivas a usinabilidade de aços são chumbo, cálcio e bismuto. Tratamentos térmicos ou mecânicos também podem ser empregados para melhorar a usinabilidade de dado material. Para aços alto carbono, por exemplo, é comum se fazer um tratamento de coalescimento (ou esferoidização) para facilitar a usinabilidade. Para aços dúcteis, como o AISI 303, é comum um encruamento prévio para evitar que o material do aço adira à ferramenta de corte, formando a aresta postiça de corte, e encrue durante a usinagem. 2.3 Forças de corte e Pressão específica de corte Um dos parâmetros mais importantes para a caracterização de usinabilidade de um aço é a força de corte observada durante o processo de usinagem. Este critério é usualmente calculado através da equação (Diniz et. al., 1999): Fc = Ks. A = Ks. a p. f (1) Onde: F = Força de corte [N] Ks = Pressão específica de corte [N/mm 2 ] A = Área da seção de corte [mm 2 ] f = Avanço [mm/rot] ap = Profundidade de corte [mm]

12 Diversos fatores podem influenciar no aumento ou na diminuição dos esforços de corte resultantes, alguns desses fatores são: Material da peça: a composição química do material tem grande influência sobre os esforços de corte. À medida que aumenta o teor de carbono, observa-se o crescimento destes esforços, enquanto a adição de elementos de liga como o enxofre, chumbo e bismuto causam a sua diminuição. Material e geometria da ferramenta: A variação do material da ferramenta provoca uma pequena variação no coeficiente de atrito entre o cavaco e a superfície de saída da ferramenta, porém, Nakayama e Arai mostraram em 1976 que estas variações tem pouco ou nenhum efeito sobre a pressão específica de corte. Uma exceção é quando são utilizadas coberturas de nitreto de titânio, onde a diminuição do coeficiente de atrito entre a ferramenta e a peça é mais significativa, e por isso provoca valores de Ks menores do que o se observa para outros materiais de ferramenta. Em relação à geometria de ferramenta, um dos parâmetros que pode influenciar na força de corte é o ângulo de saída da ferramenta (γ). Quanto menor for o γ maior será a força de corte resultante no processo de usinagem, porém se o ângulo γ for muito grande a ferramenta não terá muita resistência e será mais sensível a choques. O ângulo de inclinação (λ) causa o mesmo efeito, apesar de em menor escala. A diminuição do ângulo de folga (α) causa o aumento da força de corte devido ao aumento do atrito ferramenta-peça. Sua influência torna-se inexpressiva para valores maiores que 5. Avanço (f): o aumento do avanço provoca um aumento na velocidade de avanço, diminuindo o atrito, uma vez que o corte se torna mais dinâmico. Além disso, o aumento da velocidade de avanço faz com que o ângulo de saída efetivo da ferramenta aumente, causando a redução de Ks. Por outro lado, a equação 1 mostra que a força de corte cresce com o aumento do avanço, devido ao aumento da área da seção de corte. Deste modo, o aumento imposto ao avanço resulta em um crescimento não-linear da força de corte. Velocidade de corte (Vc): para materiais dúcteis operando com baixas velocidades de corte, é comum ocorrer o fenômeno de formação da aresta postiça de corte (APC). Com a formação da APC, a pressão específica de corte tende a diminuir, já que a APC proporciona um ângulo de saída maior que o da ferramenta. Diniz recomenda, que se trabalhe com velocidades de corte mais elevadas (acima de 150m/min) para evitar a formação da APC, fazendo com que a variação do Ks com a Vc não seja tão acentuada. Estas velocidades de corte, porém, estão fora da faixa de trabalho recomendada para a usinagem de aços inoxidáveis austeníticos com ferramentas de aço rápido. Profundidade de usinagem (a p ): como é possível observar na equação 1, o aumento da profundidade de usinagem causa um aumento na força de corte na mesma proporção, porém não afeta a pressão específica de corte. Lubrificação e refrigeração: Os fluidos de corte podem atuar de duas maneiras em relação a usinabilidade. Se a principal função do fluido é a lubrificação, ele irá melhorar a usinabilidade do material, diminuindo o atrito entre o cavaco e a ferramenta e conseqüentemente os esforços de corte. Quando a principal função do fluido é a refrigeração, ele irá piorar a usinabilidade, pois resfriará o material, encruando o mesmo e aumentando os esforços necessários para se efetuar o corte. Estado de afiação da ferramenta: à medida que a ferramenta é utilizada surgem alguns tipos de desgaste. Um desgaste muito comum é o desgaste de flanco. Com o aumento do desgaste de flanco ocorre um aumento nos esforços de corte devido ao maior atrito entre a peça e a ferramenta.

13 2.4 - Cálculo da Pressão específica de corte Diversos autores buscaram formulações empíricas para o cálculo de Ks. Alguns autores são: Taylor, ASME, AWF e Kienzle. Taylor desenvolveu equações para o cálculo de Ks para diferentes materiais. Segundo formulação proposta, a pressão específica de corte pode ser calculada, para aços com baixos teores de carbono, pela equação 2: 200 Ks = (2) 0,07 f Segundo ASME (American Society of Mechanical Engineers), o cálculo de Ks pode ser feito através da equação 3: Ca Ks = (3) n f onde: Ca = Constante do material n = 0,2 para aços, e 0,3 para ferro fundido AWF (Ausschuss für Wirtschefthiche Fertiging), sugere o uso da equação 4, na qual Cw é uma constante dependente do material da peça: Cw Ks = (4) 0,477 f As informações sobre as constantes do material, tanto para AWF quanto para ASME podem ser encontradas na tabela 2 em anexo. Segundo Kienzle a força de corte pode ser calculada utilizando-se a seguinte equação: K s1 Ks = z h Onde: K s1 e z são constantes do material (5) As informações sobre as constantes do material usadas na equação de Kienzle encontram-se na tabela 3 em anexo. 2.5 Desgaste e Vida de ferramenta: Vida de ferramenta pode ser descrita como o tempo que esta ferramenta trabalha efetivamente até perder sua capacidade de corte, em função de parâmetros previamente estabelecidos. O tempo de vida de uma ferramenta também é um critério observado na determinação da usinabilidade de um material. Existem vários tipos de desgaste de ferramenta, porém, o mais utilizado como critério de fim de vida de ferramenta é o desgaste de flanco. Este tipo de desgaste ocorre na superfície de folga da ferramenta, afetando sua afiação, e está presente em todas as operações de usinagem. A vida de ferramenta é o critério mais usado para avaliação da usinabilidade dos materiais. A equação 6 é conhecida como equação de Taylor, e fornece uma estimativa da vida útil da ferramenta na usinagem de um determinado material. As constantes K e x são determinadas para o material usinado.

14 x T = K. V c (6) 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Foram realizados ensaios de vida de ferramenta de corte e para a determinação das constantes usadas no cálculo da pressão específica de corte segundo Kienzle. O ensaio de vida de ferramenta foi realizado pelo SENAI/CETEMP, em parceria com o Laboratório de Usinagem da UFRGS, e apoio da GERDAU/Aços Finos Piratini, enquanto os ensaios para a determinação de Ks foram realizados no SENAI/CETEMP, em parceria com o Laboratório de Usinagem da UFRGS e apoio de Lesi Comércio e Representações Ltda. Cada um dos ensaios foi realizado com ferramentas de corte de aço rápido e metal duro. 3.1 Equipamentos Utilizou-se para a realização dos ensaios, um torno marca Romi modelo Centur 30 RV. Este torno possui como características potência de 10 CV, distância entre pontas de 1000 mm, diâmetro máximo de 160 mm e rotação máxima de 3500 rpm. Para a medição dos esforços de usinagem, usou-se um dinamômetro Kistler modelo 9257A, conectado a um amplificador de sinal Kistler 5006. Este dinamômetro realiza a medição de forças por efeito piezelétrico, nos eixos x, y e z, em uma escala que vai de 5 a 5kN para os eixos x e y, e 5 a 10kN em z. Sua alta freqüência natural de vibração permite a medição dinâmica das forças de corte minimizando erros relativos à vibração. A medição do desgaste de flanco das ferramentas de corte foi realizada em um microscópio ótico de ferramentaria Mitutoyo, modelo toolmakers TM-201. Este microscópio possui dois nônios, com resolução de 0,01mm, que permitem a medição em x e y. O sistema de aquisição de dados utilizado é constituído por computador, conversor A/D 12 bits marca Computer Boards e software de aquisição de dados foi o Agilent VEE 6.0. 3.2 Material O material utilizado para os ensaios é um aço AISI 303. Devido ao alto percentual de enxofre, este aço é considerado de corte fácil, quando comparado a outros aços inoxidáveis. A composição química e algumas propriedades mecânicas do aço utilizado nos ensaios podem ser vistas nas tabelas 2 e 3. Tabela 2 Composição química do aço inoxidável AISI 303 utilizado. AÇO AISI C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu V Al 303 0,05 0,14 1,73 0,037 0,206 17,76 8,84 0,35 0,43 0,05 0,002 Tabela 3 Propriedades mecânicas do aço inoxidável AISI 303 utilizado. Propriedades mecânicas Dureza superficial Resistencia à tração Limite de escoamento 143 Hb 576 Mpa 274 Mpa A tabela 4 mostra as ferramentas de corte utilizadas nos ensaios para a determinação das constantes da equação de Kienzle, bem como os parâmetros de corte adotados.

15 Tabela 4 Condições de usinagem usadas na determinação da equação de Kienzle. Ferramenta Aço rápido M2 TP300-WNMG060408-M3 Geometria da ferramenta α 0 = 6 ; γ 0 = 6,χ = 90. α 0 = 6, γ ef = 9 ; χ = 95 ; r ε = 0,8mm. Quebra-cavaco Não possui. Integral Corte Radial Cilíndrico Velocidade de corte (m/min) 50, 60** e 80 200 Avanço (mm/volta) 0,1; 0,15* 0,2; 0,25* 0,3. 0,1; 0,2; 0,3; 0,4. Profundidade de corte (mm) 1,5 1,5 Fluido de corte seco seco *condições usadas apenas na velocidade de corte de 50 m/min. **Duas repetições para cada f. As condições de usinagem usadas no ensaio de fim de vida de ferramenta podem ser observadas na tabela 5. Estas condições de usinagem foram definidas com base na norma ISO 3685, de 1993. Tabela 5 Condições de usinagem usadas nos ensaios de fim de vida de ferramenta. Ferramenta TP300-WNMG060408-M3 Geometria da ferramenta α 0 = 6, γ ef = 9 ; χ = 95 ; r ε =0,8mm. Quebra-cavaco Integral Corte Cilíndrico Velocidade de corte (m/min) 200, 236, 280 Avanço (mm/volta) 0,2 Profundidade de corte (mm) 1,5 Fluido de corte seco 3.3 Metodologia Nos ensaios com ferramenta de metal duro utilizou-se velocidade de corte de 200m/min, com profundidade de corte de 1.5mm e quatro avanços diferentes (0,1, 0,2, 0,3 e 0,4 mm/rot). Foram realizadas três repetições para cada avanço, com aquisição da força de corte em cada uma destas. Devido à maior vida de ferramenta observada e ao menor número de repetições realizadas, os ensaios com ferramenta de metal duro foram realizados na operação de torneamento cilíndrico externo, com comprimentos de corte associados a um minuto de usinagem. Para os ensaios com a ferramenta de aço rápido foram utilizados como parâmetros as velocidades de corte de 50, 60 e 80m/min, largura de corte de 1.5mm e avanços de acordo cm a tabela 4, executando-se, para cada parâmetro, três repetições. Ambos os ensaios foram realizados a seco. As velocidades de corte utilizadas nestes ensaios foram limitadas pela avaliação de testes realizados previamente, onde observou-se que acima dessas velocidades ocorre a queima da ferramenta. O uso de ferramentas de aço rápido deve-se à maior facilidade de obtenção da geometria desejada (através da afiação correta), O ensaio para a determinação da pressão específica de corte com ferramenta de aço rápido está representado na Figura 1. Devido ao maior número de ensaios realizado, bem como à baixa vida da ferramenta nas velocidades de corte estudadas, optou-se por realizar os ensaios para a determinação de Ks na usinagem com aço rápido na forma conhecida como

16 corte ortogonal. Desse modo, o avanço se dá na direção do raio da peça, com a profundidade de corte sendo correspondida pela largura dos anéis usinados no corpo de prova. Este procedimento resulta em menor tempo de realização dos ensaios e maior aproveitamento de material, uma vez que todos os ensaios podem ser realizados em um único corpo de prova. Ferramenta de Aço rápido Figura 1 Experimento realizado para a determinação das constantes de Kienzle com ferramenta de aço rápido. Para os ensaios de fim de vida de ferramenta, foram realizados ciclos de usinagem com um minuto de duração. Após a realização de cada ciclo, a ferramenta era retirada para a medição do desgaste de flanco. Este procedimento foi repetido continuamente, até que o critério para o fim de vida da ferramenta fosse atingido. Como critério de fim de vida para as ferramentas de metal duro foi estabelecido um desgaste de flanco máximo de 0,3mm. 4 RESULTADOS TEÓRICOS: A equação que melhor representa os esforços de usinagem é a equação de Kienzle. Por este motivo, foi usada para o cálculo dos valores teóricos de referência. A tabela 6 mostra os valores de força (eq. 1) e pressão específica de corte (eq. 5) calculados para os parâmetros descritos no procedimento experimental. Na ausência de dados referentes ao aço AISI 303, usou-se constantes relativas ao aço DIN 18CrNi6, por possuírem composição química e propriedades mecânicas semelhantes. Devido à geometria da ferramenta de metal duro não corresponder à originalmente usada na determinação das constantes por Kienzle, devem ser feitas correções nos valores da pressão específica de corte obtidos. Recomenda-se que a correção seja de 1 a 2% por grau de diferença entre os ângulos de saída, tendo como base a ferramenta usada por Kienzle, com γ o igual a 6 (Ferraresi).

17 Tabela 6 Valores de força e pressão específica de corte calculados segundo Kienzle. Ferramenta f (mm/rot) Fc (N) Ks (N/mm2) 0,1 630 4200,4 MD 0,2 1007 3356,9 0,3 1344,6 2988 0,4 1623,3 2705,5 0,1 684,75 4565 0,15 881,3 3917 HSS 0,2 1094 3649 0,25 1275,75 3402 0,3 1446,3 3214 MD = Metal Duro HSS = Aço Rápido 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS: 5.1 - Resultados de força e pressão específica de corte: Os resultados de força e pressão específica de corte, obtidos experimentalmente estão descritos nas tabelas 7 e 8: Tabela 7 Resultados de força e pressão específica de corte obtidos na usinagem com MD. Vc f ap Fc Média Desvio Ks Desvio Ks 0,1 315,93 55,01 2106,19 366,70 200 0,2 530,63 109,55 1768,78 365,18 1,5 0,3 657,76 257,86 1461,69 573,03 0,4 951,73 378,41 1586,22 630,44 Tabela 8 Resultados de força e pressão específica de corte obtidos na usinagem com HSS. Vc f ap Fc Média Desvio Ks Desvio Ks 0,1 365,21 29,96 2434,72 199,82 0,15 410,04 35,68 1822,39 158,60 50 0,2 490,65 40,43 1635,49 131,97 0,25 547,40 96,45 1459,73 259,40 1,5 0,3 610,12 166,80 1355,80 370,75 0,1 147,75 52,,26 985,0298 348,44 80 0,2 257,21 49,24 857,36 164,17 0,3 357,29 42,8 793,99 95,12 As figuras 2 e 3 mostram os resultados experimentais de força de corte e pressão específica para ferramenta de metal duro, em comparação com resultados teóricos. Na figura 3, pode-se ainda verificar o comportamento do aço AISI 304, cuja composição difere do aço AISI 303 por possuir menor teor de carbono, enxofre e molibdênio e maior teor de fósforo.

18 1800 1600 1400 Fc teor Fcreal 1200 1000 Fc (N) 800 600 400 200 0-200 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 f (mm/rot) Figura 2 Força de corte versus avanço para ensaios realizados com ferramenta de metal duro. 4000 3000 Ks teor Ksreal Ks AISI304 Ks (N/mm 2 ) 2000 1000 0,1 0,2 0,3 0,4 f (mm/rot) Figura 3 Pressão específica de corte versus avanço para ensaios realizados com ferramenta de metal duro. Observa-se que tanto para força de corte, quanto para pressão específica de corte, o comportamento experimental é similar ao teórico, porém os valores encontrados são mais baixos que os valores calculados. 5.2 Resultados com ferramenta de aço rápido: As figuras 4 e 5, mostram os resultados de força de corte e pressão específica de corte obtidos para os ensaios realizados com ferramenta de aço rápido. Pode-se observar que os resultados obtidos estão abaixo tanto dos resultados calculados através dos dados obtidos na bibliografia disponível quanto dos dados relativos ao aço AISI304, apesar do comportamento observado condizer com o esperado.

19 1400 1200 1000 Fc Teor Fcreal50 Fcreal60 FcReal80 Fc (N) 800 600 400 200 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 f (mm/rot) Figura 4 Resultados de força de corte versus avanço para ensaios realizados com ferramenta de aço rápido. 4000 3000 2000 Ks (N/mm 2 ) 1000 Ks teor Ksreal50 Ksreal60 KSReal80 Ks AISI304 0,1 f (mm/rot) 0,2 0,3 Figura 5 Resultados de pressão específica de corte versus avanço para ensaios realizados com ferramenta de metal duro. Na tabela seguinte são ilustrados os valores das constantes da equação de Kienzle obtidos através da análise dos resultados de pressão específica de corte versus avanço. Tabela 9 Resultados de força e pressão específica de corte obtidos na usinagem com MD e aço rápido. Vc Ks1 1-z 50 689,75 0,53 60 506,83 0,63 80 628,28 0,19 200* 1170,84 0,25 *valor relativo ao ensaio com ferramenta de metal duro.

20 5.3 Resultados de vida de ferramenta: Foram analisados ensaios de vida de ferramenta para metal duro e aço rápido, na usinagem do aço inoxidável AISI 303. A figura 6 ilustra o tipo de desgaste utilizado como referência para se determinar o fim de vida de uma ferramenta, o desgaste de flanco. Desgaste de Flanco Figura 6 Desgaste de flanco em ferramenta de metal duro. Fonte: Sandvik. A figura 7 (a) mostra a evolução do desgaste de flanco da ferramenta de metal duro para diferentes velocidades de corte. Pode-se observar que, quanto maior a velocidade de corte, mais rapidamente a ferramenta irá atingir o critério de fim de vida. A figura 7 (b) mostra a curva de vida da ferramenta, que caracteriza a equação de Taylor. 0,35 0,30 0,25 Vc 200 m/min Vc 236 m/min Vc 280 m/min 100 Vb máx (mm) 0,20 0,15 T (min) T = 45,9.10 5.Vc -2,21 0,10 10 0,05 0 10 20 30 40 Tempo (min) (a) 200 250 Vc (m/min) (b) 300 Figura 7 (a) Vb max versus tempo de usinagem e (b) Vida de ferramenta versus Vc na usinagem com ferramenta de metal duro. 6 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 6.1 Força e pressão específica de corte na usinagem com ferramenta de metal duro

21 Analisando-se os resultados, observa-se que o comportamento da força de corte e da pressão específica de corte é bastante similar ao previsto teoricamente. Fica claro, porém que os valores, tanto de força quanto de pressão de corte estão bem abaixo dos valores teóricos encontrados para aços similares. Algumas possíveis razões para estes valores são: Composição química - na composição do aço ensaiado está presente um percentual de enxofre maior que o presente no aço AISI 303 comum. O enxofre, quando na forma de sulfeto de manganês, facilita bastante o corte, diminuindo o atrito entre o material e a ferramenta e diminuindo a resistência ao cisalhamento do material. Características da ferramenta - a ferramenta de metal duro utilizada possui quebra cavaco. Esta característica geométrica faz com que o cavaco seja quebrado muito rapidamente, diminuindo o tempo de contato cavaco-ferramenta, o que diminui os esforços envolvidos na usinagem. Outra característica da ferramenta usada é a presença de um recobrimento de nitreto de titânio na superfície de saída. Esse recobrimento diminui o atrito facilitando o escoamento do cavaco. Estas duas características diminuem os esforços de corte. Por outro lado, resultados obtidos para o aço AISI 304 em condições de usinagem similares (recobrimento e TiN, quebracavaco) mostraram resultados substancialmente acima dos encontrados para o aço AISI 303. Características tecnológicas - é importante considerar a influencia que o desenvolvimento tecnológico possa ter nos esforços de corte. Quando Kienzle realizou seus ensaios, o panorama industrial (máquinas, ferramentas e até mesmo materiais) não possuíam características semelhantes às obtidas atualmente. Exemplos disso são materiais de ferramenta, que se desenvolveram bastante na última metade de século, (apresentando características aprimoradas através do uso de revestimentos) e máquinas operatrizes, que hoje possuem maior rigidez, rendimento e recursos como comando numérico. 6.2 Aço Rápido Através da análise dos resultados obtidos para a obtenção de Ks com ferramenta de aço rápido, pode-se observar, de forma similar aos ensaios realizados com metal duro, que o comportamento em usinagem do aço condiz com a teoria, porém, com resultados significativamente mais baixos. A análise da figura 5 mostra que, ao variar a velocidade de corte, ocorre a variação dos valores obtidos para a pressão específica de corte. A queda progressiva da pressão específica de corte com o aumento de Vc sugere a presença de aresta postiça de corte, que tende a diminuir conforme o aumento desta velocidade, como esperado. Diniz et. al., 1999, Diniz recomenda que para aços dúcteis seja utilizada uma velocidade de corte acima de 150m/min, exatamente a fim de prevenir o aparecimento da aresta postiça de corte. Porém, esta velocidade de corte está fora da faixa usual de trabalho com ferramenta de aço rápido. 6.3 Desgaste de Flanco e Vida de Ferramenta Os resultados obtidos de desgaste de flanco ao longo do tempo de usinagem condizem com o comportamento esperado. O aço apresentou comportamento estável ao longo da vida da ferramenta. A forte linearidade da curva Vb max x t, representada na figura 7 (a) facilita a obtenção, via regressão linear, da equação de Taylor para este par ferramenta-peça (figura 7 (b)).

22 Nenhuma ferramenta apresentou falha catastrófica em serviço, de modo que todas elas atingiram o critério de fim de vida estabelecido. 7 CONCLUSÕES Através da análise dos resultados obtidos, comprova-se a relação entre o avanço e força e pressão específica de corte. Quanto maior o avanço maior a força de corte, e menor a pressão específica de corte. Fica evidenciada a influência dos elementos de corte fácil na usinagem dos materiais, em especial do enxofre e fósforo. Estes materiais atuam na diminuição da força e pressão específica de corte. Assim como os elementos de liga, a geometria da ferramenta com quebra cavaco e com recobrimento superficial de nitreto de titânio atuam na diminuição da força e pressão de corte, na usinagem com ferramenta de metal duro. A análise dos resultados de Ks para diferentes velocidades de corte sugere a presença de aresta postiça de corte na faixa estudada. Apesar de atuar de forma a reduzir os esforços envolvidos na usinagem, a aresta postiça de corte prejudica o acabamento dos componentes produzidos, além de facilitar a falha da ferramenta em serviço. Desse modo, como a ferramenta de aço rápido utilizada não é indicada para uso em velocidades de corte fora da faixa estudada, pode-se concluir que esta não é indicada para a usinagem do aço AISI 303, em especial quando seja necessário um bom acabamento superficial. O aço estudado mostrou valores de força e pressão específica de corte consideravelmente abaixo do esperado de acordo com a formulação de Kienzle, porém com comportamento similar. Fica claro que as formulações empíricas desenvolvidas para retratar o comportamento da força de corte em processos de usinagem são bastante adequadas para prever o comportamento da força de corte, porém não provém bons resultados em relação aos valores dessa força. O aço estudado mostrou comportamento estável ao longo da vida da ferramenta para o ensaio de fim de vida realizado com ferramenta de metal duro, o que facilita a previsão da vida da ferramenta segundo a equação de Taylor. Isto, aliado aos baixos valores de pressão específica de corte encontrada em todas as condições estudadas, faz deste aço um material de excelente usinabilidade.

23 8 REFERÊNCIAS Amorim, H. J., Usinagem, apostila, DEMEC/UFRGS, 2003. ISO, 1993. Tool Life Testing with Single Point Turning, ISO 3685. Schneider Paulo.Apostila sobre Incertezas de Medição 2002

24 9- BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ASM INTERNATIONL Handbook Committee.; Metals Handbook Ninth Edition Vol. 16 Machining, 1999. FERRARESI, D.; Fundamentos da Usinagem dos Metais. São Paulo: Edgard Blücher, 1977. CHIAVERINI, V.; Aços e Ferros Fundidos. São Paulo: Associação Brasileira de Metais 6 ed. 1990. TRENT, E. M.; WRIGHT, P. K.; Metal Cutting. Birmingham: 4 ed. 1999. STEMMER, C. E.; Ferramentas de Corte I. Florianópolis: Editora da UFSC 5 ed. 1995. DINIZ, A. E. ; MARCONDES, F. C. ; COPPINI, N. L.; Tecnologia da Usinagem dos Materiais. São Paulo: Editora Artliber LTDA. 2 ed. 2000.

25 10 - ANEXOS Tabela 2 características dos aços para cálculo Ks segundo AWF e ASME. MATERIAL Dureza Brinell Ca² Cw³ Aços cromo-níquel SAE 3115 - N 128 132 - SAE 3115 - EF 163 138 - SAE 3130 - EF 210 197 - SAE 3140 - T 285 228 - SAE 3140 - R 207 178 - SAE 3240 - R 170 145 - Aços cromo SAE 5120 - N 149 155 - SAE 5135 - R 207 172 - SAE 52100 - R 187 185 - Aços liga alemães Aço liga 70/80 - - 160 Aço liga 100/140 e inox - - 180 Aço liga 140/180 - - 195 Ferraresi pág. 176 Tabela 3 características dos aços para cálculo de Ks segundo Kinzle. Material Tensão de ruptura (Kgf/mm^2) Tensão de ruptura Mpa 1-z Ks1 16MnCr5 77 755 0,74 210 18CrNi6 63 618 0,7 226 42CrMo4 73 716 0,74 250 34CrMo4 60 589 0,79 224 50CrV4 60 589 0,74 222 Ferraresi pág. 187