INFLUÊNCIA DO FLUIDO DE CORTE SOBRE A
FORÇA DE USINAGEM E O ACABAMENTO DO
AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO ABNT 304
∗∗∗∗Renato Françoso de Ávila (1) Bruno de Souza Baptista (1) Celso Antônio Barbosa (2) Alexandre Mendes Abrão (1) Resumo
Este trabalho tem por objetivo investigar a influência da composição de fluidos de corte sobre a usinabilidade do aço inoxidável austenítico ABNT 304. Testes de torneamento contínuo foram conduzidos utilizando ferramentas de corte de metal duro revestido. Os testes foram realizados a seco e com fluidos de corte sintéticos com uma concentração de 5%. Estes fluidos apresentaram variações em sua composição quanto ao aditivo “extrema pressão” e à base lubrificante empregados (aditivação de cloro com bases de cadeias curta e longa e de enxofre com base de cadeia curta). Foram coletados os dados de forças de usinagem (força de corte e força de avanço) e de rugosidade média aritmética (Ra) das superfícies usinadas. Os
resultados de força de usinagem indicaram que o desempenho dos fluidos de corte variou de acordo com as condições de corte empregadas. Já para o acabamento da peça usinada, os fluidos com aditivação de cloro e base lubrificante de cadeia longa apresentaram os melhores resultados.
Palavras-chave: usinagem, aço inoxidável austenítico, fluido de corte, força de corte, rugosidade
Abstract
This work is focused on the influence of the chemical composition of cutting fluids, more specifically extreme pressure additives, on the machinability of AISI 304 austenitic stainless steel. Turning test were carried out on a CNC lathe, with a cutting fluid concentration of 5%, using cemented carbide cutting tools. The fluids employed the same lubricant base, with one exception. The fluids were applied over the top of the cutting tool. The data collected were cutting forces and surface roughness. The results obtained for cutting forces indicated that the choice of the most adequate cutting fluid relies on the machining conditions used. As far as the surface finish results are concerned, the cutting fluid using chlorine as additive gave best results. Key-words: machining, austenitic stainless steel, cutting fluid, cutting forces, roughness
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VII Seminário Brasileiro do Aço Inoxidável, de 23 a 25/novembro/2004, São Paulo - SP 1 Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia Mecânica
2 Villares Metals S/A
INTRODUÇÃO
A utilização de fluidos de corte melhora a eficiência dos processos de usinagem proporcionando: aumento da vida da ferramenta de corte, maior controle de tolerâncias dimensionais, melhoria no acabamento superficial da peça usinada, redução nas forças de usinagem e amenização de vibrações (1, 2). O efeito do uso de fluidos de corte depende não somente das propriedades do fluido, mas também das condições de usinagem, ou seja, da ferramenta de corte, material peça e parâmetros de corte (3).
De forma geral, algumas das principais questões associadas à utilização de fluidos de corte estão diretamente relacionadas aos custos (aquisição, armazenamento, manutenção, etc.), perigos à saúde (intoxicações, alergias, etc.) e questões ambientais (descarte, reciclagem, etc.) (2, 4, 5).
Desta forma, a possibilidade de utilização de quantidades mínimas de fluidos de corte através de sistemas específicos vem sendo investigada com resultados animadores (6, 7, 8). Além disso, a investigação de fluidos biodegradáveis, ou de menor impacto ambiental, também tem sido alvo de pesquisas (3, 9).
Sensíveis a estas preocupações, os fabricantes de fluidos de corte vêm inovando os seus produtos no sentido de atender tanto às necessidades dos processos de fabricação, isto é, propriedades lubrificantes e refrigerantes pela combinação de aditivos específicos, quanto à manutenção dos rigorosos padrões de proteção ambiental e de saúde requeridos (4, 5). A utilização de fluidos de corte, embora questionada sob diversos pontos de vista, é imprescindível na usinagem de aços, de um modo geral, e particularmente na usinagem de aços inoxidáveis (6, 10, 11).
Uma das preocupações relativas à adoção de fluidos de corte na usinagem de aços inoxidáveis, particularmente os austeníticos, se refere à presença de aditivos clorados. Os cloretos penetram a película passiva destes aços e causam corrosão por pontos (“pitting”). Tais pontos tendem a ocorrer em regiões preferenciais tais como: contornos de grãos, inclusões de sulfetos e óxidos na ferrita-alfa (fase típica destes aços). Esta ocorrência torna-se quimicamente mais acelerada quando as soluções de cloretos se aproximam de regiões submetidas a tensões e ainda sob altas temperaturas (12). Estas condições são tipicamente identificadas na região de trabalho em processos de usinagem, particularmente na interface ferramenta-cavaco, a qual está submetida a solicitações mecânicas (13) e térmicas (14).
MATERIAIS E MÉTODOS
O material utilizado como corpo de prova foi o aço inoxidável austenítico ABNT 304, cuja corrida apresentou a composição química especificada na tabela 1.
Tabela 1 – Composição química da amostra de aço inox austenítico utilizada (em % da massa)
C Si Mn Cr Ni Mo Al Cu P S N.
0,027 0,029 1,80 18,3 8,75 0,46 0,007 0,42 0,034 0,003 0,049
O metal duro revestido da classe ISO M05-M20 foi a ferramenta escolhida para este estudo. Esta escolha foi baseada na ampla utilização, versatilidade e custos desta, se comparada às demais. As especificações da geometria da ferramenta de corte e do suporte foram ISO WNMG 080408 PP e PWLNR 2020 K08, respectivamente. Os principais ângulos do conjunto ferramenta/suporte foram: ângulo de posição χr = 95°, ângulo de ponta εr=80o, ângulo de folga αo=6o, ângulo de saída negativo γo = -6° e ângulo de inclinação negativo λs = -6°.
Os fluidos de corte utilizados foram especificados da seguinte maneira: formulação F1 = produto de linha (fluido sintético com aditivo cloro); formulação F2 = fluido sintético com aditivo enxofre; e formulação F3 = fluido sintético com aditivo cloro e base lubrificante de cadeia longa. Doravante as respectivas formulações dos fluidos de corte serão identificadas como F1, F2 e F3. Para efeitos de análise e discussão dos resultados a condição a seco foi tomada como controle. A concentração dos fluidos de corte foi controlada em 5% com um refratômetro de bancada.
Os equipamentos utilizados nos experimentos foram: torno CNC (3500rpm e 5,5kW), plataforma dinamométrica piezelétrica com amplificador de sinais e “software” para aquisição de dados e um rugosímetro portátil.
Após a preparação dos corpos de prova e montagem do dinamômetro no torno, uma matriz de testes foi elaborada para todas as condições experimentais possíveis de serem executadas nas condições a seco e quando utilizados os fluidos de corte (F1, F2 e F3), conforme apresentado na tabela 2.
Para cada teste realizado, foram coletados os valores de força de corte (Fc) e força
de avanço (Ff). No caso da rugosidade média aritmética (Ra), foram coletados dados
Tabela 2 – Matriz de testes para os testes
Figura 1 – Direção da aplicação de fluido de corte
Para cada fluido testado utilizou-se uma nova aresta da pastilha, evitando-se assim a interferência do desgaste das ferramentas sobre as forças de usinagem e a rugosidade das peças. Os dados coletados foram analisados desconsiderando-se o regime transiente (início) da operação, durante o qual os valores das forças de usinagem oscilam muito. Cada teste durou cerca de dez segundos e programa coletou informações com uma freqüência de 700Hz, resultando assim em 7000 pontos de aquisição por ensaio. Também através do programa obtiveram-se os valores médios das componentes de forças de usinagem.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para efeito de análise e discussão dos resultados optou-se pela apresentação dos mesmos em dois grupos, isto é, resultados de forças de usinagem e resultados de acabamento superficial. Quanto aos resultados das componentes de força de usinagem, através de uma análise preliminar observou-se nenhuma variação significativa em todas as condições de lubrificação investigadas para a força passiva, desta forma optou-se pela não apresentação dos resultados obtidos para esta componente de força. Desta forma serão apresentados os valores médios relativos às forças de corte e de avanço agrupadas por condição de lubrificação e em função dos parâmetros de corte. As figuras 2 a 4 mostram, respectivamente, a influência da velocidade de corte (vc), avanço (f) e profundidade de usinagem (ap)
sobre a força de corte (Fc) para o corte a seco e aplicando-se os fluidos de corte.
Velocidade de corte (m/min) Avanço (mm/rev) Profundidade de corte(mm)
200-250-300 0,15 1,00
250 0,15-0,21-0,30 1,00
250 0,15 0,50-0,75-1,00
DINAMOMETRO
Figura 2 – Forças de corte em função da velocidade de corte (f = 0,15mm/rev e ap = 1,0mm)
De forma geral, observa-se uma ligeira redução nas forças de corte com a elevação da velocidade de corte (figura 2). Nota-se também que o fluido F1 (aditivo cloro) proporciona valores de força de corte mais baixos. A presença de cloro como aditivo promove a formação de cloretos que atuam como aditivos extrema pressão sob temperaturas de até 350ºC, enquanto os sulfetos formados a partir da adição de enxofre atuam a temperaturas inferiores a 750ºC (15). Tendo em vista algumas características dos aços austeníticos (baixa condutividade térmica e alta encruabilidade), estima-se que durante a usinagem desta classe de materiais temperaturas superiores a 800ºC sejam desenvolvidas na região da interface cavaco-ferramenta, o que apontaria para um melhor desempenho do fluido de corte com aditivo enxofre (F2), o que não ocorreu. Tal fato pode ser atribuído à incapacidade do fluido de corte de atingir a zona de aderência, onde temperaturas mais elevadas são atingidas. Desta forma, a atuação do fluido de corte estaria restrita à zona de escorregamento, periférica à de aderência e onde temperaturas mais baixas são registradas e onde o fluido a base de cloro apresenta melhor desempenho.
As figuras 3 e 4 mostram, respectivamente, a influência do avanço e da profundidade de usinagem sobre a força de corte nas condições testadas. Ficou constatada a elevação da força de corte com o aumento do avanço e da profundidade de usinagem para todas as condições de lubrificação, em virtude do aumento da área da seção de corte, entretanto, quando o avanço é elevado o fluido F1 mostra-se superior às demais condições de lubrificação (figura 3), fato não tão evidente quando a profundidade de usinagem é aumentada, vide figura 4. As figuras 2 a 4 também mostram que não houve uma redução significativa da força de corte quando se trabalha a seco, fato esperado em virtude da retenção de calor na região de corte. Além disso, o fluido F3 (aditivo cloro com base lubrificante de cadeia longa) é o que mais se aproxima do fluido F1.
100 200 300 400 500 600 200 250 300
Velocidade de Corte (m/min)
Figura 3 – Forças de corte em função do avanço (vc = 250m/min e ap = 1,0mm)
Figura 4 – Forças de corte em função da profundidade de usinagem (vc = 250m/min e f = 0,15mm/rev)
As figuras 5 a 7 apresentam, respectivamente, a influência da velocidade de corte, avanço e profundidade de usinagem sobre as forças de avanço (Ff) para as
diferentes condições de lubrificação. Embora a força de avanço apresente valores inferiores à força de corte, nota-se uma redução mais significativa de Ff quando a
velocidade de corte é aumentada (figura 5). Além disso, o fluido com aditivo enxofre (F2) é o que propicia forças mais baixas. Já com o aumento do avanço, Ff apresenta
comportamento bastante distinto em função da condição de lubrificação: no corte a seco e empregando-se os fluidos F1 e F2, Ff permanece praticamente inalterada;
por outro lado, utilizando-se o fluido F3 há uma considerável redução na força de avanço. Dentro de determinados limites, a redução de Ff com o aumento do avanço
durante a usinagem de materiais encruáveis como o aço inoxidável austenítico é esperado, pois empregando-se valores de avanço mais elevados a aresta de corte irá penetrar em uma região não encruada da peça, o que resulta em forças mais baixas. Entretanto, deve-se salientar que este efeito foi mais evidente para o fluido F2 quando o avanço foi aumentado de 0,15 para 0,21 mm/rev.
Figura 5 – Forças de avanço em função da velocidade de corte (f = 0,15mm/rev e ap = 1,0mm)
Figura 6 – Força de avanço em função do avanço (vc = 250m/min e ap = 1,0mm)
A figura 7 mostra que aumentando a profundidade de usinagem a força de avanço aumenta numa proporção muito superior à força de corte (vide figura 3). Nesta situação, o fluido F2 proporciona forças de avanço inferiores às demais condições de lubrificação.
Figura 7 – Força de avanço em função da profundidade de usinagem (vc = 250m/min e f = 0,15mm/rev) 40 60 80 100 120 140 160 180 200 200 250 300
Velocidade de Corte (m/min)
F o rç a de Av an ço (N ) a seco F1 F2 F3 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0,15 0,21 0,3 Avanço (mm/rot) F o rç a de Av an ço (N ) a seco F1 F2 F3 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0,5 0,75 1
profundidade de corte (mm/rot)
As figuras 8 a 10 apresentam, respectivamente, os valores de rugosidade média aritmética (Ra) em função da velocidade de corte, avanço e profundidade de
usinagem. Em quase todas as situações, o uso de fluido de corte garante um acabamento superior ao corte a seco. Observando a figura 8 não se nota uma alteração considerável nos valores de Ra quando a velocidade de corte é
aumentada, entretanto, de um modo geral, o fluido F1 é que proporciona valores mais baixos de rugosidade.
A figura 9 mostra que a elevação do avanço representa um aumento de Ra bastante
acentuado, em virtude da maior profundidade das marcas de avanço. De um modo geral, os fluidos F3 e F1 apresentam melhores resultados. Para efeito de comparação, foram calculados os valores teóricos de rugosidade média aritmética para o processo de torneamento. Os valores calculados foram de 0,90 µm, 1,76µm e
3,61 µm para os avanços de 0,15 mm/rev, 0,21 mm/rev e 0,30 mm/rev,
respectivamente. Comparando-se estes valores com aqueles obtidos experimentalmente (figura 9), observa-se que o fluido F3 (aditivo cloro e base lubrificante de cadeia longa) é o que proporciona valores de rugosidade mais próximos dos teóricos, sendo desta forma o mais indicado se considerado o quesito acabamento da peça.
A variação da profundidade de usinagem pouco afeta o acabamento dos corpos de prova (figura 10), sendo o fluido F1 o responsável por valores mais baixos de Ra,
entretanto, as diferenças entre os fluidos de corte, ou mesmo se comparados ao corte a seco, são pouco representativas. Valores ligeiramente mais baixos de Ra são
obtidos com ap=1 mm, o que pode ser explicado pela maior rigidez do cavaco
formado, e conseqüentemente, pela maior facilidade de sua quebra, o que evitaria a formação de cavacos emaranhados típicos do torneamento de aços inoxidáveis, que por sua vez prejudicam o acabamento da peça.
Figura 8 – Rugosidade média aritmética em função da velocidade de corte (f = 0,15mm/rev e ap = 1,0mm) 0 1 2 3 4 200 250 300
Velocidade de Corte (m/min)
Figura 9 – Rugosidade média aritmética em função do avanço (vc = 250m/min e ap = 1,0mm)
CONCLUSÕES
Após a realização de ensaios de torneamento do aço inoxidável austenítico com ferramentas de metal duro revestido sob diversas condições de lubrificação, além do corte a seco, as seguintes conclusões foram obtidas:
As forças de corte e de avanço diminuem com o aumento da velocidade de corte, devido ao aumento de temperatura e queda da resistência ao cisalhamento do material usinado. Já em relação ao avanço, as forças de corte aumentam pela severidade do processo, mas as forças de avanço tendem a diminuir com o aumento do avanço, devido à ponta da ferramenta ultrapassar a camada de material encruado na direção do avanço. Quanto à profundidade de usinagem, as forças de corte e de avanço apresentaram uma tendência de aumento devido à elevação da área da seção de corte.
Ao contrário do que se esperava, o corte a seco não contribui para a redução das forças de usinagem, sendo que, de maneira geral, a força de corte foi mais baixa quando empregado o fluido de corte com aditivo cloro (F1). No que se refere à força de avanço, o fluido F2 foi o que garantiu valores mais baixos, muito embora esta componente da força de usinagem apresente valores bem inferiores à Fc.
Para o acabamento superficial da peça usinada, os fluidos com aditivo cloro (F1 e F3) mostraram-se mais promissores, fato previsto para o fluido F1 em virtude das forças de corte mais baixas.
AGRADECIMENTOS
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