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8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA

Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

INFLUÊNCIA DA CONDIÇÃO DE USINAGEM NA USINABILIDADE DO AÇO SAE

4118H

Rodrigues, A. R.; Matsumoto, H.; Yamakami, W. J.; Paulo, R. G. R.; Assis, C. L. F.

Universidade Estadual Paulista - UNESP, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - FEIS, Departamento de Engenharia Mecânica - DEM, Av. Brasil Centro, nº 56, CEP: 15.385-000, Ilha Solteira - SP, Brasil

roger@dem.feis.unesp.br, hidekasu@dem.feis.unesp.br, wyser@dem.feis.unesp.br,

rafaelgustavo@dem.feis.unesp.br, clfassis@aluno.feis.unesp.br

RESUMO

Este trabalho investigou o efeito do fresamento de desbaste e semi-acabamento no mecanismo de formação de cavaco e na textura superficial do aço SAE 4118H. Os testes foram realizados adotando, respectivamente, velocidade de corte convencional e alta velocidade de corte (HSC). Empregou-se um centro de usinagem vertical CNC (15 CV), munido de um cabeçote com rotação de 10.000 rpm. Corpos-de-prova de aço-liga baixo-carbono SAE 4118H de temperabilidade melhorada, utilizados no forjamento de precisão de engrenagens automotivas, foram usados como amostras. O material foi normalizado a 950 °C por 2 h para atingir dureza de 190 HV e favorecer o processo de usinagem. Foi aplicado fresamento de topo concordante com fresa ∅ 25 mm de duas arestas e insertos de metal duro revestidos com TiN. Os resultados mostraram que a usinagem com alta velocidade de corte de fato aprimorou o acabamento superficial, verificado pela queda de aproximadamente 66% no valor da rugosidade média Ra e máxima

Ry quando comparada com as obtidas empregando velocidade de corte convencional. Ambas as condições de

usinagem geraram cavacos contínuos, com orientações dos grãos e níveis de deformação distintos. O mecanismo de formação de cavaco influenciou o comportamento da rugosidade.

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INTRODUÇÃO

As primeiras pesquisas sobre usinagem com alta velocidade de corte surgiram na Alemanha entre 1924 e 1931, por meio de Carl J. Salomon, considerado o “pai da usinagem de alta velocidade”. Nestes estudos, ele usinou materiais não ferrosos como alumínio, cobre e bronze utilizando serras circulares de grandes diâmetros, alcançando velocidades de até 16.500 m/min para o caso do alumínio. Seus principais resultados apresentaram uma diminuição na temperatura e na força de corte adentrando-se o campo da high-speed cutting ou usinagem HSC [1].

A indústria aeroespacial foi a pioneira na utilização da usinagem HSC, com o fresamento de ligas de alumínio para a fabricação de peças com geometrias complexas [2]. Porém, atualmente, neste setor, até superligas a base de níquel, consideradas um dos materiais mais difíceis de serem usinados, estão sendo submetidos a este tipo de usinagem, a uma faixa velocidade acima de 100 m/min [3]. Outro setor industrial que merece destaque no emprego da usinagem com alta velocidade de corte é o automobilístico, principalmente na fabricação de blocos e cabeçotes de motores em ferro fundido e alumínio [4].

Atualmente tem-se aumentado bastante a utilização da usinagem HSC, principalmente devido às grandes vantagens atribuídas ao processo, como por exemplo, menores esforços de corte, menor dissipação de calor, menor distorção da peça, melhor precisão, menores níveis de vibração mecânica, maior facilidade na remoção e armazenamento de cavacos e melhor acabamento superficial, visando sempre o crescimento da produtividade [1,5].

Dessa forma, vários estudos têm sido realizados com o intuito de confirmar estas vantagens, sobretudo em relação ao acabamento superficial das peças usinadas, pois esta característica pode fornecer muitas informações referentes ao processo de fabricação ao qual a peça foi submetida. Assim, esta textura superficial pode ser definida como a impressão digital do processo de manufatura, pois qualquer alteração na dureza ou composição química, desgaste excessivo da ferramenta de corte, utilização dos parâmetros de corte inadequados ou instabilidade da máquina-ferramenta irão refletir diretamente no acabamento superficial do produto final [6].

Os parâmetros de corte influenciam consideravelmente o acabamento superficial da peça, principalmente o avanço e a velocidade de corte, visto que a profundidade de usinagem normalmente não tem efeito significativo sobre o acabamento. Esta influência pôde ser observada no fresamento dos aços AISI 1020 e AISI 1040 [7]. Os pesquisadores utilizaram cinco velocidades de corte diferentes, 44, 56, 71, 88 e 111 m/min e variaram o avanço entre os valores 20, 63 e 100 mm/min. Eles observaram uma melhoria no acabamento com o aumento da velocidade de corte e, além disso, notaram que em todos os casos o aço AISI 1020 apresentou os menores níveis de rugosidade. Outra variável analisada foi a força de corte, a qual sofreu um acréscimo com a elevação da taxa de avanço, devido ao aumento na secção transversal do cavaco. Porém dessa vez, o aço AISI 1020 exigiu os maiores níveis de força, provavelmente devido a maior quantidade de perlitas.

Pesquisas no processo de torneamento também têm alcançado estes resultados. Cita-se, por exemplo, um estudo realizado na usinagem dos aços inoxidáveis austeníticos AISI 304 [8]. Os autores empregaram uma faixa de velocidade entre 120 e 180 m/min e analisaram o desgaste de flanco, presença da aresta postiça de corte, formação do cavaco e rugosidade superficial. Os resultados indicaram que o desgaste de flanco e a aresta postiça de corte foram amenizados com o aumento da velocidade de corte. Em relação ao cavaco, notou-se uma diminuição no raio de curvatura e um aumento na espessura do mesmo, quando empregadas velocidades de corte menores. Analisando o acabamento superficial, os resultados apresentaram menores níveis de rugosidade a uma velocidade de 150 m/min. Contudo, evidenciou-se uma maior influência do avanço sobre o acabamento da peça, conforme exposto em seus resultados, nos quais os maiores avanços elevaram os valores de rugosidade superficial.

Todavia, nem todas as pesquisas chegam a uma relação direta entre o aumento na velocidade e a melhoria no acabamento superficial. Um exemplo ocorreu no fresamento do aço AISI D2 (52 HRC), utilizado comumente na fabricação de moldes e matrizes. Neste estudo foram examinadas as diferenças entre fresas de ponta esférica com insertos intercambiáveis e fresas inteiriças. Os resultados apresentaram um pior acabamento da superfície à medida que o desgaste da ferramenta aumentava, porém não se conseguiu obter uma relação padrão entre os valores de rugosidade e de velocidade de corte [9].

Outro resultado contraditório a esta melhoria do acabamento com o aumento da velocidade de corte foi estabelecido por Yousefi e Ichida na usinagem de ligas de alumínio, os quais concluíram que a rugosidade aumenta com o acréscimo da velocidade de corte. Uma explicação para este fato seria a formação de uma camada de metal soldado na aresta secundária de corte [10].

Geralmente esta melhoria no acabamento superficial com o emprego da usinagem HSC está relacionada ao mecanismo de formação do cavaco. Porém, poucas pesquisas envolvendo o acabamento superficial de materiais usinados têm abordado esta relação, pois na maioria dos casos apenas relaciona-se a rugosidade da peça com alguns parâmetros de usinagem.

No modo convencional, os cavacos podem ser divididos em quatro tipos: contínuo, parcialmente contínuo, descontínuo e segmentado [11]. Já na usinagem HSC, normalmente apresentam-se apenas dois tipos: contínuo e segmentado, sendo este último muito evidenciado nestas condições de processo [1]. Este cavaco segmentado é caracterizado por um cisalhamento catastrófico ainda na zona primária de cisalhamento, em condições praticamente

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adiabáticas, resultante da sobreposição do efeito do amolecimento do material sobre o encruamento do mesmo [12,13].

Apesar dos avanços em pesquisas no campo HSC, que abordam desde aspectos econômicos e produtivos até fenomenológicos e acadêmicos, o processo de formação de cavaco nesta elevada faixa de velocidades ainda não parece demonstrar unanimidade na literatura. Um exemplo dessa afirmação é a pesquisa realizada por Ning, Rahman e Wong, na qual durante a usinagem do aço endurecido H13 (55HRC), notaram a presença de quatro tipos de cavacos: estável (com formato cônico), instável (resultado da vibração e fratura periódica do material na ponta da ferramenta), crítico (na forma de uma senóide) e severo (cavaco plano devido à baixa freqüência de vibração) [14].

Assim, este trabalho visou estudar a influência dos parâmetros de corte na usinabilidade do aço SAE 4118H, analisando principalmente o acabamento superficial das peças usinadas e os cavacos gerados durante o processo.

MATERIAIS E MÉTODOS Aparato Experimental

Os ensaios foram realizados em um centro de usinagem da marca Romi, modelo Discovery 560, com as seguintes características: 15 CV de potência, rotação máxima de 10.000 rpm e velocidade máxima de avanço igual a 30 m/min. O processo de usinagem empregado foi o fresamento de topo concordante, utilizando-se uma fresa de 25 mm de diâmetro, contendo dois insertos de metal duro revestidos de TiN, fabricados pela Sandvik Coromant, cuja codificação é R390-11 T3 08M-PM. As principais características da ferramenta são: ângulo de folga (α) igual a 21°, ângulo de posição (κr) igual a 90° e 0,8 mm de raio de ponta (rε). Convém lembrar que os insertos foram analisados

ao fim de cada ensaio e nenhuma ocorrência de desgaste ou aresta postiça de corte (APC) foi detectada. Esse procedimento foi adotado visando manter a igualdade de condições dos testes. Ressalta-se ainda que todos os ensaios foram realizados sem a utilização de fluido de corte.

A rugosidade foi medida com um rugosímetro Mitutoyo, modelo SJ-201P, contendo uma agulha com raio de ponta igual a 5 µm. O valor do cut-off adotado foi 0,8 mm. Com o intuito de quantificar mínima e estatisticamente os resultados, realizaram-se para cada ensaio seis medidas de rugosidade, considerando os parâmetros Ra e Ry. Uma

análise qualitativa foi realizada por meio de imagens da superfície usinada com um aumento de 250x, visando associar os valores obtidos pelo rugosímetro às fotos registradas. Empregou-se para este fim, um microscópio óptico da marca Carl Zeiss Jena, modelo Neophot 21, com ampliação máxima de 1000x.

As imagens para análise metalográfica dos cavacos gerados durante o processo de fresamento foram obtidas por meio do mesmo microscópio óptico. As fotos foram registradas com os aumentos de 200, 350 e 400x, e visaram avaliar a microestrutura deformada dos cavacos, orientação dos grãos deformados, as bandas de cisalhamento e possíveis indícios de um cavaco do tipo segmentado.

Material Utilizado

O material utilizado nos ensaios foi o aço SAE 4118H (190 HV) com temperabilidade melhorada, empregado na fabricação de engrenagens automotivas. Este material foi forjado a 1200°C por meio de prensas excêntricas em duas etapas de prensagem: 10 e 20 MN, respectivamente. Após o forjamento a quente, as peças passaram por um processo de tamboreamento para limpeza. Em seguida, elas foram mantidas em forno a 950°C por duas horas com o objetivo normalizar a microestrutura, visando uma maior homogeneização dos grãos. Cabe ressaltar que as peças utilizadas nestes ensaios correspondem à parte interna (miolo) da engrenagem, também conhecida como espelho. Essas amostras possuem 70 mm de diâmetro e espessura média de 15,5 mm. A Tabela 1 exibe a composição química do material utilizado.

Tabela 1: Especificação química das peças utilizadas (% em peso).

C Mn Cr Mo Si P S

0,23 - 0,28 0,90 - 1,30 0,35 - 0,70 0,10 - 0,20 0,15 - 0,35 0,25 máx 0,02 - 0,04

As peças foram recebidas na forma bruta, sendo pré-usinadas por meio de um processo de torneamento convencional, visando à obtenção de uma superfície plana, antes da realização dos testes finais. A matriz experimental utilizada nos ensaios finais de fresamento pode ser observada na Tabela 2, que contempla duas condições de usinagem: uma com velocidade de corte convencional e outra no campo HSC.

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Tabela 2: Parâmetros de usinagem utilizados nos ensaios. Condições de corte Parâmetro Unidade Convencional HSC penetração de trabalho (ae) mm 5,0 5,0 profundidade de usinagem (ap) mm 1,5 1,0 avanço (fz) mm/z 0,15 0,08

velocidade de corte (vc) m/min 100 400

Para as análises metalográficas dos cavacos, foram escolhidos alguns exemplares representativos dentre os cavacos gerados. Esses foram embutidos em resina, permitindo que eles passassem pelo processo de lixamento, por meio de lixas com granulometria número 220, 320, 400, 600 e 1000. Em seguida eles foram polidos com partículas de 1μm de óxido de alumínio e, após esta etapa, o ataque químico foi realizado por meio de imersão em Nital 2% durante aproximadamente cinco segundos.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os valores médios de rugosidade superficial podem ser observados na Figura 1. Torna-se relevante frisar que foram realizadas 6 medidas em cada amostra, visando uma análise estatística. O parâmetro Ra representa a

rugosidade média aritmética, enquanto Ry indica os valores máximos de rugosidade, por considerar a distância entre

o pico mais elevando e o vale mais profundo dentro do cut-off adotado.

8,07 2,82 1,12 0,37 0 2 4 6 8 10 100 400

Velocidade de corte [m/min]

Ru

gosi

d

ade [

μm]

Rugosidade máxima (Ry) Rugosidade média (Ra)

Figura 1: Influência da velocidade de corte nos parâmetros de rugosidade.

Geralmente, a rugosidade de superfícies usinadas é determinada principalmente pelos parâmetros de corte adotados no processo, sendo o avanço e a velocidade de corte os mais influentes. A diminuição da taxa de avanço em 47% (da usinagem convencional para alta velocidade de corte), considerando o raio de ponta do inserto de 0,8 mm constante (já que o mesmo tipo de inserto foi usado em todos os testes), fez diminuir a altura das asperidades da superfície e, consequentemente, a rugosidade superficial da peça. Além desse fator cinemático e geométrico decorrente do processo, houve a influência benéfica do aumento da velocidade de corte no cisalhamento do material.

Através da Figura 1, pode-se observar que o aumento de 300% no valor da velocidade de corte causou uma queda significativa nos valores de rugosidade. A rugosidade apresentou um decréscimo médio para ambos os parâmetros de 66% aproximadamente. Levando-se em consideração que este resultado possui 95% de confiabilidade e que o erro experimental foi de 12% para Ra e 16% para Ry, pode-se afirmar com base estatística que houve uma melhoria

pronunciada no acabamento com o aumento da velocidade de corte.

A Figura 2 a seguir ajuda a compreender o comportamento do acabamento superficial das peças usinadas, pois é possível traçar um paralelo entre as imagens da textura superficial e os níveis quantitativos de rugosidade medidos.

(5)

(a) usinagem convencional (b) usinagem HSC Figura 2: Textura superficial das amostras usinadas.

A Figura 2 apresenta as marcas de avanço produzidas durante o fresamento do material. Percebe-se nitidamente que para a usinagem convencional, a textura superficial apresenta marcas irregulares, enquanto a usinagem HSC gerou sulcos com padrão mais uniforme. Como em nenhuma condição houve desgaste da ferramenta e nem a formação de aresta postiça de corte, a explicação para esta melhoria provavelmente reside no processo de corte do material ou, de outro modo, no mecanismo de formação do cavaco. Na usinagem convencional, a ação da ferramenta no corte do material produziu, além do cisalhamento típico das lamelas do cavaco, um certo grau de deformação ou recalque, que fez escoar o material da peça na direção lateral à do avanço. Com aumento da velocidade de corte, o ângulo de cisalhamento aumentou, o que promoveu uma diminuição do efeito do recalque no corte, favorecendo o cisalhamento do cavaco e, por conseqüência, o acabamento superficial da peça. Para fortalecer a compreensão dos resultados de rugosidade, imagens metalográficas dos cavacos foram obtidas e detalhadamente estudadas, como mostra a Figura 3.

(a) (b)

(c) (d)

Superfície superior do cavaco Superfície superior do cavaco

(6)

(e) (f) Região I

Região II

Região I Região II

Figura 3: Microestrutura dos cavacos gerados na usinagem convencional e HSC.

As Figuras 3a e 3b podem representar um bom indicador do nível de deformação e do estado de tensões aos quais o material foi submetido durante o processo de usinagem e de formação do cavaco. Por meio das imagens (ampliadas em 200x), não é possível determinar propriamente o ângulo de cisalhamento (φ), medido entre os planos de cisalhamento primário e o de corte, devido à falta de uma referência que deve levar em conta o posicionamento da aresta principal de corte da ferramenta em relação à microestrutura deformada do material. Porém, pode-se estimar com boa precisão o ângulo de deformação da microestrutura do cavaco (η), adotando como referência a superfície da interface cavaco-ferramenta. Medindo-se este ângulo, foi possível obter aproximadamente os valores de 54° para a usinagem convencional (Figura 3a) e 41° para a usinagem HSC (Figura 3b).

O cavaco gerado na usinagem convencional apresentou um valor para o ângulo de deformação da microestrutura do cavaco (η) cerca de 32% maior que o ângulo medido no cavaco gerado pela usinagem HSC. Isso significa que os grãos do material são submetidos a um menor nível de deformação e recalque ao aumentar a velocidade de corte, pois o ângulo de cisalhamento também aumenta. Estes níveis de deformação são mais bem evidenciados pelo exame das Figuras 3c (usinagem convencional) e 3d (HSC) ampliadas em 400x, onde é possível verificar uma estrutura excessivamente alongada.

Sob o prisma microestrutural, nota-se que a matriz de ambos os cavacos apresenta grãos de perlita na cor escura e de ferrita na cor clara, com ligeira predominância de ferrita, uma vez que o material possui baixo teor de carbono e sofreu um típico tratamento térmico de normalização. Mesmo em forma alongada, é possível distinguir os contornos de grão mais facilmente no cavaco gerado pela usinagem convencional, que propriamente aquele obtido na condição HSC. Além disso, provavelmente devido à sua maior ductilidade, nota-se sutilmente que os grãos de ferrita foram mais suscetíveis ao processo de deformação do que os grãos de perlita, que aparecem dispersos na matriz em uma forma ligeiramente menos alongada.

As Figuras 3e e 3f, representativas da usinagem convencional e HSC respectivamente, ilustram com ampliação de 400x uma morfologia microestrutural distinta encontrada nas análises microscópicas de ambos os cavacos. A transição de uma microestrutura menos deformada (região I) para uma excessivamente deformada (região II) foi observada na porção dos cavacos onde sua espessura é maior. Esta composição microestrutural pode ter sido assim resultada provavelmente devido à ação da ferramenta durante o corte do material.

No fresamento com sentido de corte concordante, o cavaco gerado apresentou a forma de vírgula, onde a espessura máxima do cavaco se deu com a entrada da ferramenta na peça. Como a penetração de trabalho (ae)

adotada foi menor que o raio da fresa, a ponta da ferramenta penetrou inicialmente na peça e o cavaco escoou por sobre a superfície de saída do inserto ao continuar a rotação da ferramenta e o movimento de avanço concomitantemente até que a espessura do cavaco fosse mínima e o inserto saísse da peça para a repetição do ciclo. Crê-se, portanto, que a porção de material da peça pertencente à espessura máxima do cavaco e distante da ação da ponta da ferramenta tenha sido menos suscetível às tensões e deformações do processo de corte e, por conseguinte, gerou uma microestrutura menos deformada.

Um resultado considerado relevante refere-se às dimensões finais dos cavacos. Como o ângulo de posição adotado neste trabalho foi 90°, a espessura máxima teórica do cavaco deve corresponder aproximadamente ao valor do avanço. Medições em microscópio ótico com aumento de 200x forneceram os valores médios de 0,160 mm para a usinagem convencional e 0,095 mm para a usinagem HSC, que condizem com as medidas teóricas obtidas pela geometria do corte. Torna-se importante ressaltar que as linhas divisórias das regiões I e II são meramente simbólicas, não possuindo qualquer inclinação definida, uma vez que as imagens foram geradas sem a preocupação de se estabelecer uma referência para orientação microestrutural.

(7)

Analisando-se novamente as Figuras 3a e 3b, é possível constatar para ambas as condições de usinagem consideradas neste trabalho que os cavacos podem ser classificados como contínuos, por possuírem lamelas justapostas, com um grau leve de serrilhamento da superfície superior dos cavacos. Recorrendo à microscopia ótica, não foi possível observar nos cavacos gerados pela usinagem HSC bandas de cisalhamento bem definidas e afastadas umas das outras, as quais poderiam sinalizar para a ocorrência de cisalhamento adiabático ou catastrófico, mecanismo de formação de cavaco comum em usinagem com altas velocidades.

Cumpre-se destacar que nem todos os materiais submetidos à usinagem HSC são suscetíveis a gerarem cavacos pelo processo de cisalhamento catastrófico. Geralmente, materiais que possuem baixa condutividade térmica e tendência ao amolecimento em elevadas temperaturas são fortes candidatos a tal mecanismo [15]. Alguns típicos exemplos são as ligas de titânio, superligas à base de níquel e ligas de aços endurecidos. Portanto, como o material analisado neste trabalho não apresenta as características acima citadas, a formação de cavacos contínuos empregando alta velocidade de corte também foi compatível com a literatura científica [1].

Contudo, com as análises pormenorizadas dos cavacos, é possível verificar e constatar que o mecanismo de remoção de material na forma de cavaco representa um dos fatores decisivos que influenciam o acabamento superficial de peças usinadas. Ao elevar a velocidade de corte, o ângulo de cisalhamento (φ) aumentou, o ângulo de deformação da microestrutura (η) e o grau de recalque diminuíram, favorecendo o cisalhamento e corte do material.

CONCLUSÕES

A análise dos resultados permite as seguintes conclusões:

A usinagem HSC apresentou um melhor acabamento superficial em relação à usinagem convencional, conforme demonstrado pelos valores de rugosidade;

Os dois parâmetros de rugosidade medidos, Ra e Ry, apresentaram uma queda média de 66% com o aumento da

velocidade de corte;

Os cavacos gerados na condição HSC apresentaram um menor ângulo de deformação da microestrutura quando comparado aos cavacos da usinagem convencional;

Ambos os cavacos apresentaram em sua porção de espessura máxima regiões menos deformadas pela ação da ferramenta de corte. Estima-se que este efeito decorreu da forma de penetração da ferramenta na peça, isto é, pela combinação das dimensões do diâmetro da fresa e da penetração de trabalho;

Os cavacos produzidos independentemente das condições de usinagem podem ser classificados na forma de vírgula ou lascas, com leve grau de serrilhamento em sua superfície superior;

Quanto ao tipo, ambos os cavacos podem ser classificados como contínuos, mesmo aqueles gerados pela aplicação da usinagem HSC;

A rugosidade das peças usinadas depende fortemente do avanço e da velocidade de corte. O primeiro pode ser associado mais diretamente à cinemática e geometria do processo de corte, sendo maior a rugosidade quanto maior a taxa de avanço. O segundo dita o padrão do comportamento plástico do cavaco ao ser cisalhado pela ação da aresta de corte da ferramenta. Para a faixa de exploração das velocidades de corte, quanto maior seu valor, melhor o acabamento superficial da peça;

A velocidade de corte influiu decisivamente no ângulo de deformação da microestrutura do cavaco. O aumento de vc promoveu a diminuição de η e do grau de recalque, favorecendo a rugosidade superficial;

Sob baixas velocidades de corte, o efeito do recalque sobrepõe o do cisalhamento do cavaco, o que conduz ao escoamento lateral do material na superfície usinada e à elevação dos níveis de rugosidade da peça.

REFERÊNCIAS

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15. M.C. Shaw, Metal Cutting Principles, Oxford Science Publications, 594 p., 1984.

UNIDADES E NOMENCLATURA ae penetração de trabalho (mm) ap profundidade de usinagem (mm) fz avanço por dente (mm/z)

Ra Rugosidade média quadrática (μm) Ry Rugosidade máxima (μm)

rε raio de ponta da ferramenta (mm)

vc velocidade de corte (m/min)

α ângulo de folga da ferramenta (°) φ ângulo de cisalhamento (°)

η ângulo de deformação da microestrutura do cavaco (°) κr ângulo de posição da ferramenta (°)

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