A usinagem por eletroerosão (EDM, de electro discharge machining) foi introduzida na indústria há cerca de cinco décadas para permitir o processamento de materiais com elevada resistência mecânica. Hoje está perfeitamente consolidada e em sintonia com outras tecnologias tradicionais de produção, tais como fresamento, furação, retificação e torneamento. A sua introdução permitiu benefícios técnicos e econômicos significativos para a indústria da mecânica de precisão, por exemplo para produzir moldes.

Contudo, ainda apresenta algumas desvantagens em relação a tecnologias concorrentes, por causa da baixa taxa de remoção de material, do desgaste acentuado das ferramentas e da baixa integridade superficial. Essas limitações motivaram a investigação compreensiva do mecanismo de remoção de material, no sentido de adequar os parâmetros operacionais visando à melhoria da eficiência global do processo.

Durante a eletroerosão, a remoção de material da peça é realizada por meio da ação de descargas elétricas pulsadas, criadas na folga (gap) entre a ferramenta e a peça. Essas descargas ocorrem em meio dielétrico que, quando sujeito a um campo elétrico suficientemente intenso, sofre disrupção e gera no local um canal condutor em plasma[6]. A energia associada à descarga varia em função dos parâmetros utilizados, promovendo a fusão e vaporização do material dos eletrodos.

No entanto, para a mesma quantidade de energia, a ação do plasma pode variar significativamente em função do tipo de descarga. A alteração da assinatura elétrica que distingue os diferentes tipos de descargas tem uma consequência direta na ação do plasma sobre o material da peça. Como os parâmetros operacionais são definidos a priori (intensidade de corrente, tensão em vazio, frequência etc.) resta controlar a folga frontal entre eletrodos para influenciar o tipo de descarga e o desempenho global do processo.

Parâmetros operacionais

A iniciação e a formação do canal de plasma ocorre quando o campo elétrico iguala a rigidez dielétrica do meio[7]. Para isso, e considerando que em geral a tensão em vazio entre eletrodos (Uo) é um parâmetro constante na máquina de eletroerosão, para alterar o valor do campo elétrico (E) é necessário controlar o valor do gap. A redução do valor facilita a disrupção do meio dielétrico para a mesma tensão (equação


Figura 1 – Principais parâmetros operacionais do EDM

 

1). No entanto, a defi nição do seu valor é uma tarefa complexa, devido à natureza estocástica do processo e também por influenciar a remoção de partículas erodidas e a assinatura da descarga elétrica (fi gura 1).

Dessa forma, a iniciação do canal de plasma deveria ocorrer sempre na zona de maior proximidade entre os eletrodos. No entanto, a prática tem mostrado que as condições operacionais na folga entre eletrodos são sufi cientes para infl uenciar a localização do canal de plasma e permitir o seu início em uma zona de campo elétrico mais reduzido[3]. Porém, e apesar de o início poder ocorrer em uma face lateral da ferramenta (gap lateral), a probabilidade do evento é maior na direção de avanço da ferramenta (gap frontal) porque aí existe maior valor do campo elétrico.

A eletroerosão é essencialmente caracterizada por parâmetros elétricos, pois o mecanismo de remoção de material é assegurado pela interação de um plasma sobre o material da peça a processar. Deste modo, a assinatura do impulso elétrico (evolução combinada da tensão e da corrente elétrica) é o melhor meio não intrusivo para investigar o processo de EDM.

Em geral, desse impulso elétrico resulta a remoção de material na forma de uma cratera erodida, cujas características geométricas e de materiais podem ser correlacionadas com os principais parâmetros operacionais. Em traços gerais, quanto maior a intensidade de corrente, maior a taxa de remoção de material, ou seja, da cratera erodida por descarga. O tempo de descarga (da ordem de μs) contribui para o aumento da entrega térmica e do alargamento da cratera. Contudo, os maiores tempos de impulso (T) não são condição suficiente para aumentar a taxa de remoção de material. Existem outros parâmetros elétricos e não elétricos que influenciam a eficiência do processo.

A tensão em vazio é responsável pela ionização do meio dielétrico (tipicamente de 100 a 200 V). Esse valor cai para entre 15 e 30 V durante a descarga elétrica. O valor da tensão durante a descarga está associado à resistência elétrica do plasma. O aumento da tensão em vazio é utilizado para permitir diminuir o tempo de impulso em dielétricos líquidos como água ou óleo[7], onde a variação de um fator de 10 na rigidez dielétrica promove uma variação não linear de um fator 1.000 no tempo de impulso.

A polaridade do canal de descarga é outro parâmetro que permite balancear a remoção de material entre a peça e a ferramenta (desgaste) em função do tempo de impulso. Este parâmetro controla a direção dos diferentes tipos de cargas existentes no plasma. A menor inércia dos elétrons (devido à sua massa, 9.11×10-31 kg) torna-os mais efetivos para um tempo de impulso reduzido, enquanto para um tempo longo as cargas efetivas são os íons (depende dos materiais, ~ 10-25 kg).

Por exemplo, a polaridade inversa é utilizada com tempos de impulso longos para operações de desbaste. A maior massa dos íons permite transferir uma quantidade de energia mais significativa em cada colisão com o cátodo, contribuindo para uma importante remoção de material.

A utilização de valores elétricos inadequados pode promover problemas na integridade superficial da peça, desgaste acelerado das ferramentas e taxa de remoção de material reduzida[8]. Por outro lado, mesmo com os valores elétricos adequados (tensão em vazio, frequência, corrente elétrica etc.) pode ocorrer variações da assinatura elétrica que comprometem a eficiência global do processo, desde a ausência de remoção de material até a solda entre eletrodos.

Para a aplicação correta do processo, é fundamental controlar a sua polaridade e o tipo de descarga produzida. A proporção de descargas normais na folga entre eletrodos em relação ao número de impulsos de tensão reflete a estabilidade do processo, normalmente associado a uma maior taxa de remoção de material e a um desgaste menor da ferramenta.

Figura 2 – Circuito de corrente continua pulsada

 

Tipos de descargas

As descargas produzidas durante um processo de eletroerosão podem apresentar diferentes assinaturas elétricas em função das condições operacionais. Em geral, as descargas pulsadas classificam-se nas seguintes categorias: abertas, normais, arco e curtos-circuitos. Mais recentemente, foram acrescentadas a esta classificação as descargas ionizada (delayed-discharge) e complexa (complex-discharge), que correspondem a diferentes regimes de remoção de material, desgaste dos eletrodos e qualidade superficial [2].

A descarga aberta ocorre quando a distância entre o eletrodo e a peça é demasiado grande para os parâmetros operacionais utilizados, e não é possível criar um canal de plasma. Por isso, não ocorre qualquer remoção de material. A sua assinatura elétrica é caracterizada por um impulso de tensão sem a passagem de corrente elétrica. Quando a peça e o eletrodo entram em contato (diretamente ou devido à presença de impurezas), observa-se uma descarga de curto-circuito. Assim, a passagem de corrente é facilitada e de valor máximo (não é necessário ionizar um canal de plasma), e conduz ao aumento local da temperatura da peça por efeito de Joule e à contaminação mútua dos eletrodos. À semelhança das descargas abertas, os curtos-circuitos devem ser evitados, pois a sua contribuição para a remoção de material é reduzida.

A descarga em arco é semelhante à descarga normal. Durante o impulso, ambas são caracterizadas por uma queda de tensão e por uma passagem de corrente, sem contato entre os eletrodos. A diferença entre estas descargas está no modo como se produzem. A descarga em arco realiza-se por meio de cargas elétricas existentes no dielétrico sem a criação de um canal estável de plasma e, portanto, sem a formação de um patamar de ionização.

A ausência desse patamar ajuda a distinguir as descargas em arco, juntamente com o fato do seu valor de tensão ser normalmente inferior a uma descarga normal, mas superior ao de uma descarga curto-circuito. As descargas em arco ocorrem, por exemplo, quando se combina uma restituição deficiente das condições operacionais (lavagem de partículas erodidas, renovação e desionização do dielétrico) com um valor de gap reduzido.

A descarga ionizada refere-se a situações em que o processo de ionização ocorre durante mais tempo do que o pretendido, superior a 2/3 do tempo de impulso[1]. Porém, assume-se que a descarga normal é aquela que permite simultaneamente maximizar remoção de material e reduzir o desgaste da ferramenta. Por fim, a descarga complexa contempla aquelas sem correspondência com os tipos anteriormente descritos e não representativas do processo. Não obstante, o assunto da classificação dos diferentes tipos de descargas e da sua ação ainda é controverso na comunidade científica[4,5,10].

Gap frontal

Alguns trabalhos procuram a correlação entre a assinatura da descarga elétrica e o desempenho global do processo (taxa de remoção de material, integridade superficial, desgaste da ferramenta etc.)[1,11]. De forma geral, observa-se que quanto menor a percentagem de descargas normais, mais reduzida é a taxa de remoção de material e pior é a qualidade do acabamento. Dentre os parâmetros operacionais, o gap frontal é um dos que mais influencia a assinatura elétrica da descarga.

O presente trabalho procura investigar de que forma o gap frontal entre eletrodos, em função dos principais parâmetros operacionais do processo, influencia a assinatura elétrica da descarga elétrica e o tipo de cratera erodida. Para facilitar a análise compreensiva da influência do gap no processo, foram realizados ensaios de monodescarga em condições laboratoriais controladas.

Desenvolvimento experimental

A presente investigação foi conduzida num aparato experimental especificamente desenvolvido pelos autores, para permitir rea­lizar ensaios de monodescarga em condições laboratoriais controladas. Esta necessidade surge das limitações encontradas nas máquinas-ferramenta comerciais em fazer descargas únicas. O equipamento laboratorial desenvolvido permite não só controlar os principais parâmetros operacionais do processo, mas também garantir a monitorização da assinatura elétrica, da força de eletroerosão e da densidade eletrônica, por meio de técnicas de espectroscopia[2].

O aparato experimental recorre a um circuito de corrente contínua pulsada do tipo RC com um interruptor do tipo transístor (figura 2, pág. 112).

A intensidade de corrente elétrica é controlada pela resistência do circuito de eletroe­rosão, sendo assim possível limitar a energia transmitida à descarga. Os ensaios foram conduzidos em um fluido dielétrico (Shell Macron EDM 110), para uma gama de tempos de impulsos de 3 a 500 μs, de tensão em vazio de 75 a 250 V, de gap entre 0,5 e 23 μm, com a ferramenta em E-Cu58 e a peça em AISI 304. As peças foram polidas para se poder distinguir as crateras erodidas em monodescarga da superfície-base da peça.

Resultados e discussão

Influência da assinatura elétrica

A assinatura elétrica da descarga é um dos parâmetros que melhor caracteriza o tipo de impulso elétrico e a sua ação sobre a superfície do sólido. Logo, influencia a morfologia da cratera erodida. Além de permitir identificar o tipo de ação do plasma, a assinatura elétrica controla igualmente a densidade energética, a taxa de entrega térmica e outros parâmetros eletromagnéticos associadosao plasma.

A figura 3 apresenta a correlação entre a assinatura elétrica e o tipo de cratera.

O grupo 1 corresponde a impulsos de tensão sem o estabelecimento do canal de plasma erosivo (descarga aberta), enquanto o grupo 2 corresponde a impulsos de tensão com o estabelecimento de um canal de plasma erosivo (descarga ionizada, descarga normal e arco). O grupo 2 também é chamado o grupo erosivo por ser naquele em que a remoção de material é mais eficiente.

O grupo 3 corresponde a impulsos de corrente (curto-circuito) ou impulsos de tensão, em que o canal de plasma é instável, com sequências de impulsos de

Figura 3 – Relação entre tipo de descarga e morfologia da cratera erodida

 

tensão e de corrente irregulares (descargas complexas) pouco eficazes na remoção de material da superfície da peça.


Figura 4 – Infl uência da polaridade nas crateras erodidas no aço AISI 304 para tempos de 3 e 500 μs

 

A observação dos grupos 2 e 3 permite verifi car que os diferentes tipos de descargas elétricas apresentam contribuições distintas para o volume de material removido. Fica evidente que as descargas normais permitem maximizar o volume de material removido para condições operacionais similares. No entanto, é menos evidente que o tempo de ionização influencie o volume removido e a forma da cratera.

Entretanto, é a relação entre o tempo de ionização e o tempo de descarga que permite evidenciar a relação entre a energia disponível para a entrega térmica e a densidade de energia da descarga. Será possivelmente por essa razão que a descarga ionizada promove crateras mais regulares do que a descarga em curto-circuito. Não fica clara a existência de crateras em condições de curto-circuito, as quais só podem ser explicadas por analogia aos processos de ligação térmica nos quais o ponto de solda por fusão é arrancado no afastamento da ferramenta, provocando uma cratera.

O mesmo parece acontecer durante a descarga anômala em que (apesar de não existir contato entre eletrodos) a fusão do material estabelece uma ponte de material refundido que atua de forma similar à da descarga em curto-circuito.

A fi gura 4 apresenta um conjunto de crateras típicas impondo diferentes polaridades à peça, para tempos de impulso curtos e longos. Observa-se que, ao adotar uma polaridade inversa (quando a peça atua como catodo), se pode passar de uma situação de cratera única para multicrateras quando o tempo de impulso aumenta entre 3 e 500 μs (em uma correlação com máquinas comerciais, essa transição corresponde a uma diminuição da frequência de produção de descargas).

Em descargas normais com polaridade inversa, a produção de multicrateras pode ser atribuída ao surgimento de maior número de canais que ligam a peça à ferramenta quando os tempos de descarga são suficientemente longos para que os canais se formem, ramifiquem e cresçam. Nessas condições, aparecem vários canais secundários na vizinhança do principal, os quais permitem a interação dos íons com o catodo durante um tempo suficiente para que ocorra a pulverização do material da peça sobre uma área relativamente extensa.

Ao se inverter a polaridade (quando a peça atua como ânodo), é visível que se mantém o mesmo tipo de cratera para tempos de impulso curtos. No entanto, ao aumentar o tempo de impulso obtém-se uma única cratera de profundidade elevada e diâmetro reduzido, ao invés de uma região mais extensa de crateras superficiais. Nestas condições, os canais que ligam a peça à ferramenta permitem a condução de elétrons até o ânodo. Como resultado , ocorre uma entrega energética que facilita a fusão e vaporização do material da peça. Note-se que muito embora seja possível obter crateras com uma geometria bem definida ao se adotar uma polaridade direta, não é muito comum optar-se por

Figura 5 – Evolução do gap frontal em função do tempo de impulso

 

esta configuração em termos comerciais, sobretudo em combinação com uma baixa frequência de produção de descargas (tempos de impulso longos), para a qual ocorre um grande desgaste do eletrodo.

Zona de processo

Os ensaios realizados permitiram representar a distribuição do tempo de impulso, da tensão em vazio e da intensidade de corrente com o valor do gap frontal, a fim de definir os seus limites superior e inferior acima ou abaixo dos quais não ocorre disrupção ou deixam de ocorrer descargas normais, respectivamente.

A figura 5 mostra a evolução do gap frontal em função do tempo de impulso. Parece existir uma correlação logarítmica entre esses parâmetros, o que permitiu assinalar por meio de retas (em escala semi-log) as regiões limites relativas aos grupos 1 a 3 de crateras/descargas. Observando essa figura, verifica-se que a gama de folgas que favorece descargas normais e em arco (zona 2) vai aumentando de valor com o aumento do tempo de descarga, tal como sucede com os valores do gap que conduzem a descargas complexas e em curto-circuito (zona 3).

O crescimento da reta superior mostra que a aplicação de impulsos mais longos facilita a disrupção do dielétrico, aumentando a possibilidade de se formar um canal entre os eletrodos mais distantes. A interpretação do crescimento da reta inferior é um pouco mais difícil. Contudo, se cada tempo de impulso for associado a um volume de material removido, compreende-se que, se os eletrodos estiverem muito próximos, o material retirado da cratera promove a ocorrência de curtos-circuitos. Um aumento do tempo de impulso aumenta o gap mínimo necessário para a ocorrência de boas descargas.

Para impulsos de 3 μs, o inter valo de gap útil é reduzido (pouco mais que 8 μm). Mas, para 500 μs, a gama útil de gaps apresenta um intervalo de variação de 13 μm, o que facilita bastante a obtenção de boas descargas. Esses resultados mostram a necessidade de um controle muito otimizado do gap na usinagem por furação, sem o que a eficiência do processo diminuirá significativamente. Uma forma de atenuar esse efeito passa pelo aumento da tensão em vazio, o que apenas irá aumentar a região de gaps onde se produzem descargas normais sem alterar a morfologia e o volume de remoção de material.

Seguindo esse conceito, foram realizados ensaios com o objetivo de verificar a influência da tensão em vazio no tipo de descarga. Na figura 6 (pág. 120) é representada a evolução do gap frontal em função da tensão em vazio e definidas as diferentes regiões limites de crateras/descargas.

Nas figuras 5, 6 e 7, as retas equivalem às regiões limites dos grupos de crateras/descargas (1 a 3) e

Figura 6 – Evolução do gap frontal em função da tensão elétrica em vazio

os tracejados, ao valor médio do intervalo limite.

Nesta bateria de ensaios variou-se a tensão em vazio entre 75 e 250 V, tendo-se, para cada tensão, diferentes valores de gap. Para valores de tensão inferiores a 75 V, foi difícil realizar descargas normais e em arco. Uma análise da figura 6 confirma que um aumento da tensão em vazio permite aumentar (de forma linear) o gap máximo que garante a obtenção de descargas normais, como se assinalou na reta superior.

No entanto, a evolução crescente da reta inferior levanta mais uma vez algumas questões. Ao se manter o tempo de impulso e a intensidade de corrente, seria esperado obter-se uma remoção de material muito semelhante. Contudo, a variação da tensão pode, neste caso, modificar os fenômenos eletromagnéticos que infl uenciam o processo, potencializando a ocorrência de curtos-circuitos com pequenos gaps.

A escolha da tensão em vazio a ser utilizada deve ser decidida em função da aplicação concreta. Para evitar a disrupção e se obter gaps laterais reduzidos, devem ser realizadas descargas utilizando tensões em vazio e tempos de impulso menores. Nessas condições, o intervalo funcional de gaps é mais reduzido e, por isso, o controle da máquina deve


Figura 7 – Evolução do gap frontal em função da intensidade de corrente

 

estar otimizado para garantir a produção de descargas normais, manter uma taxa de remoção adequada e permitir a limpeza efi ciente de impurezas.

A figura 7 analisa a relação entre a intensidade de corrente e o valor do gap frontal na obtenção de descargas normais. Nessa figura, é bem visível a variação dos gaps potencializadores de descargas normais e em arco com a variação da intensidade de corrente, muito embora a influência deste parâmetro seja mais reduzida em comparação com a dos anteriormente testados.

Em princípio, a maior intensidade de corrente está associada à presença de maior número de partículas removidas que contaminam o meio dielétrico, podendo facilitar descargas em curto-circuito e complexas. Assim, seria de se esperar um crescimento significativo da reta inferior, indicando a necessidade de maiores valores de gap para continuar a assegurar a produção de descargas normais. No entanto, observa-se um crescimento ligeiramente mais pronunciado para a reta superior, o que pode indicar maior facilidade de disrupção do dielétrico quando o número de cargas elétricas disponíveis é maior. Neste caso, é possível aumentar a distância entre eletrodos que ainda garante a formação do canal de plasma.

Conclusões

Neste trabalho, projetou-se e construiu-se um aparato experimental para a realização de EDM por monodescargas. O circuito de alimentação baseado num transístor permitiu sistematizar algumas das características morfológicas das crateras geradas por eletroerosão.

Também foi possível relacionar o tipo de crateras obtidas com a polaridade imposta à peça, para tempos de impulso curtos e longos, interpretando os resultados em função da natureza das partículas carregadas do canal de plasma que interagem com o material. Concluiu-se que, muito embora seja possível obter crateras com uma geometria bem definida adotando uma polaridade direta (peça como ânodo), esta configuração pode produzir grande desgaste do eletrodo-ferramenta, sobretudo para longos tempos de impulso.

Finalmente, correlacionou-se o valor do gap frontal com os parâmetros operacionais principais restantes (tempo de impulso, tensão em vazio e intensidade de corrente), a fim de definir limites operacionais para a produção das descargas (normais, arco, ionizadas) mais eficazes para a remoção de material.

Concluiu-se que os parâmetros que mais influenciam o valor do gap frontal são a tensão em vazio e o tempo de impulso; a intensidade de corrente é o parâmetro menos influente. Para se obter gaps laterais reduzidos, devem ser realizadas descargas utilizando menores tensões em vazio e menores tempos de impulso.

Referências

 

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