O torneamento de acabamento é a operação final, sendo em alguns casos a única operação, cujas prioridades são a qualidade final da superfície e as tolerâncias dimensionais da peça. Devido à crescente exigência de maior eficiência e comprometimento dos processos de usinagem, vêm sendo desenvolvidos estudos cada vez mais específicos para gerar uma superfície técnica requerida no menor tempo possível, eliminando, principalmente, operações futuras de acabamento.

Quando o assunto é textura e integridade da peça, existe a necessidade de redução de custos e tempos sem que haja redução da qualidade do produto final. Por esses motivos, a rugosidade é um dos efeitos mais estudados, uma vez que, em procedimentos de remoção de material busca-se minimizar a presença de imperfeições na superfície da peça.

Por fim, o objetivo deste artigo é avaliar comparativamente as ferramentas wiper (alisadora) e standard (convencional) no processo de torneamento de acabamento a seco do aço inoxidável martensítico AISI 420C, além dos parâmetros de processo como avanço (f) e profundidade de corte (a p). Como metodologia de análise, pretende-se verificar através de um projeto de experimentos, a combinação de fatores estudados que minimizem as imperfeições na superfície tais como rugosidades média (Ra) e total (Rt) geradas no corpo de prova.

Aço inoxidável martensítico

A composição básica do aço AISI 420C é ferro, carbono, cromo, manganês, níquel e silício. Todo aço que possui pelo menos 10,5% de cromo em sua composição química é considerado inoxidável, pois o cromo é o elemento de liga que confere aos aços inoxidáveis sua capacidade de alta resistência à corrosão [13].

O AISI 420C configura um material ideal para a fabricação de peças de alta precisão, como utensílios para cutelaria, instrumentos cirúrgicos, dentários, eixos, peças de bombas e válvulas, moldes para plásticos e para a indústria de vidros. É um dos aços inoxidáveis mais comumente encontrados no mercado, tendo as mais variadas aplicações, tais como discos de freio, turbinas, entre outros. Atualmente, vem sendo muito utilizado na confecção de ferramentas cirúrgicas devido à sua considerável boa usinabilidade [10].

Figura 1 – Geometria da ferramenta: (a) raios (rε e rω) e faces planas na ponta da pastilha wiper, (b) comparação entre as geometrias standard e wiper [7]

 

Ferramentas standard e wiper

Juntamente com o avanço das pesquisas em usinagem está atrelada a evolução dos materiais para ferramentas de corte, o que é um fator a ser considerado. O longo tempo decorrido entre o surgimento do aço-ferramenta e sua evolução ao aço rápido contrapõe-se ao grande salto de qualidade e produtividade após a descoberta do metal duro e de novos lançamentos disponíveis no mercado.

As pastilhas wiper possuem geralmente três ou mais raios de ponta (podendo chegar a nove), o que confere uma diferente interação com a superfície da peça e consequente mudança no acabamento da superfície usinada. Isso aumenta o comprimento de contato das pastilhas e o efeito das faixas de avanço de modo positivo. A redução nos tempos de corte com estas pastilhas gira em torno de 30% por conseguirem atuar em altas faixas de avanço gerando ainda boa rugosidade e boa quebra de cavaco.

Considerando a influência da geometria da ferramenta, este estudo avalia a relação dos parâmetros de corte (profundidade de corte ap e avanço f) com o raio de ponta rε em duas situações distintas de geometria: convencional (standard) e alisadora (wiper). De acordo com Sandvik [12], as pastilhas wiper são capazes de tornear com altas faixas de f, sem perder a capacidade de gerar bom acabamento superficial. O rε da ferramenta wiper proporciona uma menor altura do perfi l na aresta de corte da superfície gerada, o que tem efeito de alisamento na superfície torneada.

A ferramenta alisadora possui uma geometria com rε modificado. Esta pequena alteração em sua geometria faz com que f (mm/rot) possa ser dobrado sem prejudicar o acabamento superficial. Em comparação com a ferramenta standard, a qual possui apenas um único r ε, a ferramenta wiper possui mais de um raio (rε e r ω ), além de suas faces planas. Isso permite que os picos da superfície gerada, que seriam deixados para trás em função da utilização da geometria convencional, sejam eliminados, o que proporciona ganho produtivo com qualidade superficial superior.

Na figura 1a, é possível identificar os raios e as superfícies planas que compõem a ferramenta wiper comparados com um único raio que compõe a ferramenta standard. Na figura 1b é possível comparar o perfil de rugosidade que será gerado durante a usinagem com as duas ferramentas, quando a menor amplitude (entre pico e vale) será registrada para ferramenta wiper devido ao seu rε modificado [7].

Textura da superfície usinada

O estudo do acabamento superficial torna-se importante nos casos em que se exige uma precisão no ajuste entre peças unidas e naqueles em que a precisão dimensional e a de forma não são satisfatórias para garantir a funcionalidade do conjunto. A rugosidade superficial é a topografia microscópica deixada pela usinagem, sendo mais influenciada pelo processo que pela máquina.

O acabamento superficial, representado principalmente pela rugosidade e geralmente especificado em projetos mecânicos, consiste em um conjunto de irregularidades que tendem a criar um padrão, ou seja, uma textura em uma determinada superfície. Tais irregularidades estão presentes em todas as superfícies reais, por mais perfeitas que aparentem ser e na maioria das vezes ocorrem devido ao método empregado na obtenção desta [6].

O parâmetro Ra consiste da média aritmética dos valores absolutos das ordenadas do perfil

Figura 2 – Rugosidades Ra e Rt em um perfil de superfície P(x)[7]

 

efetivo (medido) em relação à linha média em um comprimento de amostragem [1,11]. Além de Ra , outro parâmetro internacional de rugosidade reconhecido universalmente é a rugosidade total (Rt). O parâmetro Rt consiste da soma da maior altura de pico e da maior profundidade de vale do perfil efetivo (medido) em relação à linha média no comprimento de avaliação. Rt é empregado quando é desejável (ou necessário) especificar a altura máxima da rugosidade, pois é diretamente influenciado por qualquer defeito ou irregularidade na superfície [6] .

A figura 2 mostra a representação gráfica dos parâmetros de rugosidade Ra e Rt. Na figura, L é a extensão da amostra, x é a abscissa da curva do perfil P(x) e LM é a linha média.

Projeto e análise de experimentos

Os pontos experimentais foram determinados com o auxílio da metodologia de Projetos e Análise de Experimentos (PAE) ou Design of Experiments (DOE). Campos et al [3] relatam que os PAEs foram desenvolvidos entre 1926 e 1935 por Ronald A. Fisher, sendo posteriormente difundidos pelo mundo.

Para Vasconcelos et al [14], DOE é um método de otimização estatística que visa trabalhar de forma simultânea na obtenção dos melhores níveis em um conjunto de fatores que exerça influência sobre determinado processo. Este artifício vem sendo usado significativamente em processos industriais, auxiliando na determinação de quantidades e condições para a coleta dos dados que irão compor a análise.

Montgomery e Kowalski [9] ensinam que os experimentos fatoriais são úteis para estudar os efeitos principais dos fatores estudados sobre as variáveis de respostas de interesse, bem como as interações entre eles. Observa-se a existência de uma interação entre fatores quando o efeito de um deles sobre a resposta depende do nível em que se encontram os demais. Cabe destacar que a detecção de interações é prerrogativa de experimentos estatisticamente planejados em que os fatores são variados simultaneamente, não sendo passíveis de serem detectadas em experimentos tradicionais que variam um fator por vez, mantendo os demais fixos.

Metodologia

Para realização dos ensaios foi utilizado como corpo de prova uma barra de seção cilíndrica do AISI 420C, conforme figura 3a, cuja geometria, formada pela execução de rasgos, proporcionou a utilização de até doze amostras (combinações de f e ap). Então, uma vez que se pôde utilizar o mesmo corpo de prova para diversos experimentos, variando apenas os parâmetros para cada um destes, foram realizadas dezoito combinações (para cada ferramenta de corte).

Figura 3 – (a) Dimensões do corpo de prova (mm) e (b) torno CNC Mazak QTN 100-II

 

Figura 4 – Medição de rugosidade com rugosímetro SJ-201

 

 

Dessa forma o experimento consistiu em se determinar as rugosidades Ra e Rt, variando apenas os valores de ap e f conforme limites estabelecidos pelo fabricante das ferramentas à velocidade de corte constante fixada em 290 m/min. A máquina-ferramenta utilizada para os referidos ensaios foi um torno CNC Mazak modelo Quick Turn Nexus 100-II (figura 3b).

 Após a operação de acabamento foi verificada a rugosidade da su-

 

Figura 5 – Microestrutura do AISI 420C: a) carbonetos esferoidizados – ataque com reagente Marble; b) ataque com reagente de ácido oxálico

 

perfície usinada de cada intervalo, por meio da utilização de um rugosímetro portátil Mitutoyo modelo SJ-201, com resolução de 0,01 μm, empregando um cut-off de 0,8 mm. Foi realizada uma demarcação na seção transversal da barra, para quatro leituras a 90° cada e assim traçar o perfi l de rugosidade em função das combinações de avanço e profundidade de corte. A figura 4 mostra detalhes do sistema de medição e do corpo de prova após a usinagem.

Torna-se importante ressaltar que, para os ensaios realizados com cada uma das ferramentas de corte, as condições de usinagem foram mantidas a fim de evitar que tais variáveis interferissem direta ou indiretamente nos efeitos de vibração do sistema (variação de rigidez) e pudessem influir prejudicialmente no resultado final.

Caracterização do corpo de prova

Utilizou-se o aço inoxidável martensítico AISI 420C na forma de barra cilíndrica recozida com diâmetro de 76 mm. A composição química foi obtida no Laboratório de Metalurgia Física (Lamef/ UFRGS) por meio de métodos instrumentais com a utilização do Spectrolab – Analytical Instruments – LVFA18B, equipamento para análise de metais que utiliza um sistema de leitura óptica. A tabela 1 (pág. 36) mostra os resultados encontrados. Foi realizado um ensaio metalográfico com amostras de material que foram submetidas a ataques de reagentes químicos Marble e ácido oxálico (figura 5, pág. 36) e observou-se sua microestrutura no microscópio óptico Olympus BX51M do Lamef/UFRGS, a fim de confirmar se a barra forjada havia passado por algum processo de recozimento prévio.

Figura 6 – Ferramentas utilizadas: a) geometria wiper; b) geometria standard

 

A dureza do material esferoidizado foi determinada no Lamef/UFRGS a partir da média de cinco medições realizadas em escala Brinell por um durômetro Wolpert (carga de 187,5 kgf), cujo resultado foi 170 HB. De acordo com Callister[2], este valor pode variar de 170 a 220 HB.

Caracterização das ferramentas

Para o presente trabalho foram utilizadas duas ferramentas com características distintas na ponta, porém ambas com geometria triangular e quebra-cavacos para torneamento de acabamento. As duas possuem formato básico negativo (T-max P), raio de ponta rε = 0,4 mm e revestimento MTCVD (Medium Temperature Chemical Vapor Deposition) TiCN/Al2O3/TiN. O sistema de fixação da pastilha no suporte é do tipo cunha-grampo, o que minimiza a vibração. O porta-ferramentas MTJNL 2020K utilizado possui ângulo de posição χr = 93°.

As duas ferramentas selecionadas possuem variações semelhantes de seus parâmetros de corte, que diferem ligeiramente de acordo com as especificações recomendadas pela fabricante (tabela 2).

Análise estatística

Para este trabalho, foi planejado um experimento fatorial completo, composto pelos três fatores anteriormente mencionados: dois tipos de geometria de ferramenta (standard e wiper), três níveis de profundidade de corte (ap = 1; 2 e 3 mm) e seis níveis de avanço (f = 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 e 0,3 mm/rot), resultando em 36 amostras (ou tratamentos).

Foram realizadas quatro medições de rugosidade para cada tratamento, resultando

 

em 144 pontos experimentais ensaiados. Montgomery e Kowalski [9] citam que o projeto fatorial completo tem a capacidade de identificar tanto os efeitos do tipo de geometria de ferramenta, de ap e de f individualmente, como possíveis interações entre esses fatores. As variáveis de resposta consideradas foram os níveis de rugosidade média (R a) e total (Rt).

As variáveis de resposta serão as características de qualidade rugosidade total e média, do tipo “menor é melhor”. Para rugosidade média, o limite de trabalho está na faixa Ra = (1,875 ± 0,625) μm. Para a rugosidade total, não foram utilizados parâmetros de especificação.

Como ruído (fatores não controláveis) foram identificadas alterações no ambiente, como a temperatura. Para minimizar um possível efeito, a temperatura foi monitorada, ficando entre 20,3 e 21,8°C.

Os fatores controláveis foram codificados conforme a tabela 3 (pág. 38). Os gráficos das variáveis de resposta foram obtidos com auxílio do software Minitab 15.

Foi realizada uma aleatorização, que foi aplicada aos 36 tipos de ensaio, a fim de evitar a influência de ordem.  As repetições das medições de rugosidade, entretanto, foram realizadas sequencialmente, na ocasião de cada ensaio, por motivo de facilidade das quatro primeiras. Devido à quantidade de ensaios necessários, haveria esforço demasiado na tentativa de aleatorizar também as repetições.

Figura 7 – Gráficos das superfícies de resposta para ferramenta wiper: a) Y1; b) Y2

 

Resultados

Por meio destes experimentos, foram obtidos os seguintes valores para ambas as variáveis de resposta, os quais estão apresentados nas tabelas 4 (pág. 38) e 5 (pág. 41) para as ferramentas wiper e standard, respectivamente.

Uma análise de variância dos dados foi feita, considerando-se todas as repetições, tanto na variá­vel Y1 (rugosidade média Ra – figura 7a), como na variável Y2 (rugosidade total Rt – figura 7b), e mostrou todos os fatores e todas as interações como significativas, inclusive a interação tripla.

Sendo assim, em ordem decrescente de importância, os fatores para Y1 (R a) mais significativos são:

1o) a geometria da ferramenta a ser utilizada (fator A);

2o) o nível de avanço escolhido (fator C);

3o) a interação entre geometria e avanço (fator AC);

4o)a profundidade de corte (fator B);

5o) as demais interações (AB, BC, ABC), as quais ficaram consideravelmente mais próximas da não rejeição da hipótese nula.

Para Y2 (Rt), os fatores significativos em ordem decrescente de significância são:

 

1o) a geometria da ferramenta a ser utilizada (fator A);

2o) o nível de avanço escolhido (fator C);

3o) a profundidade de corte (fator B);

4o) a interação entre geometria e avanço (fator AC);

5o) e as demais interações (AB, BC, ABC), as quais também ficaram consideravelmente mais próximas da não rejeição da hipótese nula.

A menor rugosidade é obtida com a ferramenta wiper utilizando o avanço de 0,1 mm/rot e a profundidade de corte interpolada entre 1 e 2 mm, mais próxima de 1 mm, em uma estimativa de 1,14 mm de profundidade sendo o valor ótimo para a consideração conjunta das variáveis. Para a consideração individual da variável mais relevante, Y1 (Ra), a menor rugosidade é obtida com a mesma configuração dos fatores A (ferramenta) e C (profundidade), mas a profundidade ótima fica um pouco maior: também entre 1 e 2 mm, e mais próxima de 1 mm, mas com uma estimativa de 1,32 mm.

Para as questões de faixas de tolerância entre os níveis dos fatores, a comparação múltipla de médias é utilizada. Para o fator A (geometria da ferramenta) é desnecessária uma comparação de médias, uma vez que se trata de um fator de dois níveis. Para o fator B (profundidade de corte), para ambas as variáveis de resposta, os três níveis são significativamente

Figura 8 – Gráficos das superfícies de resposta para ferramenta standard: a) Y1; b) Y2

 

distintos. Para o fator C (avanço), na variável Y1 (Ra) todos os níveis são distintos, e na variável Y2 (Rt) apenas os níveis 0,1 e 0,15 mm/rot não apresentam diferença significativa entre si.

Com relação à tolerância dentro da interação mais significativa, a interação AC (ferramenta versus avanço), encontrou-se oito níveis de diferenciação em Y1 (Ra), dos quais a melhor escolha se refere às seguintes combinações destes fatores, sendo que nenhuma delas tem diferença significativa entre si:

a) ferramenta wiper, avanço f = 0,10 mm/rot;

b) ferramenta standard, avanço f = 0,05 mm/rot;

c) ferramenta wiper, avanço f = 0,05 mm/rot;

d) ferramenta wiper, avanço f = 0,15 mm/rot.

O valor do grupo seguinte também pode ser utilizado sem grandes perdas de qualidade, embora seja considerado estatisticamente diferente apenas da opção a), sendo ele:

e) ferramenta wiper, avanço f = 0,2 mm/rot.

Para Y2 (Rt ) estes grupos de melhor diferenciação são os mesmos. As opções d) e e) representam o resultado final do experimento. Uma vez que as ferramentas não possuem diferença de preço, no fator avanço são priorizadas as possibilidades com maior valor possível, a fim de elevar a velocidade do processo de corte.

 

Figura 9 – Gráficos das interações entre os fatores do projeto de experimentos utilizando o software Minitab 15 para as variáveis de resposta: a) Y1; b) Y2

 

Conclusão

A Análise de Variância (Anova) mostrou que todos os fatores e todas as interações são significativas. A tabela 6 (pág. 44) apresenta as oito melhores combinações que minimizam a rugosidade por meio da comparação múltipla de médias.

Com as análises realizadas, é possível confirmar a informação encontrada na literatura de que as pastilhas wiper são capazes de tornear com altas faixas de avanço, sem perder a capacidade de gerar bom acabamento superficial [12]. Pelo gráfico da interação

 

AC, ferramenta versus avanço, verifica-se que tanto a rugosidade média (R a) como a total (Rt ) apresenta menor aumento com o incremento do avanço para a ferramenta wiper.

Como economicamente não há diferença de custo entre as ferramentas, é escolhida a ferramenta wiper, pois permite trabalho em uma maior faixa de valores nos parâmetros de entrada. Assim, o conjunto de fatores escolhidos que fornece a menor rugosidade (Ra = 0,33 μm e R t = 3,43 μ m) no tor neamento do aço inoxidável martensítico AISI 420C é formado por: ferramenta wiper, velocidade de corte v c = 290 m/ min, profundidade de corte ap = 1 mm e avanço f = 0,1 mm/rot.

Referências

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