BR102019012469A2 - parâmetros operacionais ótimos para a usinagem de acabamento de aços inoxidáveis - Google Patents

Abstract

A presente invenção teve por finalidade apresentar as condições operacionais mais adequadas para a usinagem em condição de acabamento de um aço inoxidável. Para tanto, foram empregados nos testes experimentais dois tipos de ferramentas de corte abrasivas: uma de alumina calcinada e outra de alumina convencional, sendo que ambas se diferem quanto à forma de obtenção das partículas de alumina. Além disso, foram utilizadas duas condições de lubrirefrigeração, uma através de um fluido de corte sintético e outra através de um fluido de corte semissintético, ambos diluídos em água. Tais fluidos diferem - se quanto aos agentes umectantes e propriedades físico-químicas concernentes a cada um. Com vias a estabelecer-se uma comparação, optou - se por efetuar os ensaios de usinagem em duas condições distintas de penetração de trabalho (ae): uma condição branda (ae1) e outra severa (ae2).

Description

PARÂMETROS OPERACIONAIS ÓTIMOS PARA A USINAGEM DE ACABAMENTO DE AÇOS INOXIDÁVEIS Campo da invenção

[01] . A presente invenção trata da determinação das condições operacionais mais adequadas para a usinagem em condição de acabamento de aços inoxidáveis. Os aços inoxidáveis contêm elementos de liga em sua composição, os quais lhes proporcionam elevada resistência à corrosão, ao desgaste e à oxidação, tornando-os preferíveis para várias aplicações em indústrias do setor metal mecânico, médico-odontológica, petroquímica, dentre outras. Contudo, estas mesmas propriedades tornam-se desafios durante a usinagem, uma vez que eles apresentam alta taxa de encruamento e reduzida condutividade térmica. Além disso, a usinagem com ferramenta abrasiva em condição de acabamento envolve uma elevada geração de calor, sendo que a maior parte desse calor é retida na peça, o que pode levar a geração de danos térmicos e ao seu descarte. Com isso, os parâmetros de corte devem ser diferentes daqueles normalmente empregados para a usinagem por acabamento de aços comum ao carbono endurecidos. Ressalta-se também que é indispensável o uso de um fluido de corte a fim de melhorar a lubrirefrigeração na zona de contato da ferramenta-peça e, consequentemente, reduzir e ou prevenir a ocorrência de danos de origem térmica. Logo, é preciso assegurar a integridade superficial e subsuperficial dos componentes usinados. Nesta invenção, como resultados, observou-se que o emprego do fluido sintético combinado com a ferramenta abrasiva de alumina calcinada, cujos grãos abrasivos são mais friáveis que a ferramenta abrasiva de alumina convencional, propiciou valores baixos de rugosidade das superfícies e nas microdurezas, como também na potência elétrica. Além disso, o acabamento superficial das amostras usinadas sob esta condição foram menores, com poucas alterações microestruturais.

Estado da técnica:

[02] . Na usinagem por abrasão a remoção de material na forma de cavacos se dá pela passagem de pequenas partículas abrasivas da ferramenta de corte que entram em contato com a peça. As partículas abrasivas são compostas de materiais não metálicos, possuem elevada dureza, geometria irregular bem como arestas que proporcionam na interface a efetiva remoção de material (KLOCKE, F., “MANUFACTURING PROCESSES 2: GRINDING, HONING, LAPPING”, Ed. Springer, 2009). Como características, esse processo visa conferir às peças e componentes tolerâncias geométricas estreitas aliadas a baixos valores de rugosidade (em geral inferiores a Ra = 1,60 μm). No entanto, ao longo deste processo uma elevada quantidade de calor é gerada na interface ferramenta abrasiva de corte/peça, em virtude da elevada energia específica, já que são empregadas altas velocidades de corte para uma baixa taxa de remoção de material. Logo, altas temperaturas são desenvolvidas e concentradas nas superfície e subsuperfície das peças, o que pode levar ao surgimento de danos de origem térmica e, consequentemente, podendo comprometer a integridade das mesmas e levar a prejuízos (MARINESCU, I. D., HITCHINER, M., ROWE, W. B., INASAKI, I., “HANDBOOK OF MACHINING WITH GRINDING WHEELS”, Ed. CRC PRESS, 2016). Algumas patentes acerca do processo de usinagem por abrasão foram desenvolvidas, tais como: US3562962A, US3631638A, US05643347, US3583108A, US3128580A.

[03] . Dessa forma, neste processo que emprega ferramentas abrasivas convencionais é indispensável o uso de fluidos de corte com grande poder de refrigeração, principalmente para remover calor que vai para a peça. Todavia, além da refrigeração os fluidos de corte auxiliam na lubrificação e na remoção de cavaco, como também permitem minimizar a corrosão na máquina ferramenta (TAWAKOLI, T., HADAD, M. J., SADEGHI, M. H., “An experimental investigation of the effects of workpiece and grinding parameters on minimum quantity of lubrication - mql grinding”, INTERNATIONAL JOURNAL OF MACHINE TOOLS & MANUFACTURE, 49, 2009, 924 - 932).

[04] . Embora não haja ainda uma padronização prevista em norma para fluidos de corte, segundo alguns autores, os fluidos de corte podem ser classificados em: imiscíveis em água, miscíveis em água e híbridos. Dentre os fluidos miscíveis em água, destacam-se as soluções que são classificadas sob a forma de fluidos sintéticos e semissintéticos. (DINIZ, A. E., MARCONDES, F. C., COPPINI, N. L., “TECNOLOGIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS”, Ed. Artliber, 2010).

[05] . Os fluidos sintéticos são soluções químicas compostas por sais orgânicos ou inorgânicos alcalinos dissolvidos em água sem óleo mineral ou derivados de petróleo. Como eles formam uma única fase, não requerem agentes emulsificadores em sua composição. Estes fluidos permitem assegurar uma rápida retirada de calor da zona de corte, bom acabamento dimensional à peça, elevada resistência à corrosão e à oxidação. Além disso, eles apresentam uma boa estabilidade microbiológica, o que dificulta o ataque de bactérias, o que corrobora para minimizar o descarte periódico ou prematuro do fluido de corte (NOVASKI, O., RIOS, M., "Introdução teórica e vantagens de uso na usinagem de aços-liga”, MÁQUINAS E METAIS, 40, 2004, 214-223).

[06] . Já os fluidos semissintéticos, que possuem em sua composição uma combinação de fluidos sintéticos com emulsões de óleo em água, podem ser classificados como soluções ou como emulsões. São formados por compostos sintéticos e óleos minerais emulsionáveis a uma proporção que varia de 5 % a 30 % do fluido. Todavia, em comparação com os fluidos sintéticos, os fluidos semissintéticos não apresentam uma boa capacidade de refrigeração (BIANCHI, E. C., AGUIAR, P. R., PIUBELI, B. A., "APLICAÇÃO E UTILIZAÇÃO DOS FLUIDOS DE CORTE NOS PROCESSOS DE RETIFICAÇÃO”, Ed. Artliber, 2004). Algumas patentes relacionadas à otimização e desenvolvimento de fluidos de corte para processos abrasivos foram desenvolvidas: US3518917A, US3046225A, CN201410251223, US10702917, US09569642, US08761959, CN 200910043513, US3634243A, JP2003051874A, US09096420, CN 200710157030.

[07] . A correta seleção da ferramenta abrasiva, que envolve o tipo do abrasivo e tamanho do grão, constituição do material aglomerante dos grãos e a estrutura da ferramenta (que se relaciona com a sua porosidade - distância entre grãos abrasivos é um fator de grande influência na eficiência do processo (KLOCKE, F., “MANUFACTURING PROCESSES 2: GRINDING, HONING, LAPPING”, Ed. Springer, 2009). Os abrasivos mais comumente empregados no processo de usinagem para acabamento em questão são confeccionadas em óxido de alumínio convencional (podendo ser comum, rosa e branco) e óxido de alumínio monocristalino ou também conhecido como alumina calcinada, seeded gel, carbeto de silício, nitreto cúbico de boro e diamante.

[08] . Em relação ao óxido de alumínio convencional ou alumina convencional, são ferramentas destinadas a usinagem de materiais que possuem elevada resistência à tração, como aços e suas ligas, por exemplo (ZAWRAH, M. F., SCHNEIDER, J., ZUM GAHR, K. H., “Microstructure and mechanical characteristics of laser-alloyed alumina ceramics”, MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: A., 332, 2002, 167 - 173). Algumas patentes acerca da manufatura e desenvolvimento de novas ferramentas abrasivas foram desenvolvidas: US4741743B1, US3481723A, US08687884, US3476677A, US3377411A, US3110993A, US3141271A.

[09] . Quanto a alumina calcinada, ela é um material que foi disponibilizado no mercado recentemente. É considerado um material mais puro em relação a alumina convencional, que é produzido a base de bauxita. Em comparação com a alumina convencional, a alumina calcinada apresenta algumas vantagens como maior dureza e friabilidade, sendo, portanto, uma boa opção para a usinagem de acabamento de materiais com alta taxa de endurecimento, como é o caso dos aços inoxidáveis. Segundo a literatura, este tipo de material consegue adentrar mais eficientemente na superfície a ser usinada e, ao sofrerem fratura, permitirão gerar arestas de corte mais afiadas, portanto, assegurando um melhor acabamento superficial (SAINT GOBAIN, “Manual: Propriedades de grãos”, 2017).

[010] . Dentre os materiais que podem ser submetidos à operação de usinagem com ferramenta abrasiva, destacam-se aqueles que apresentam dureza superior à 50 HRc, tais como aços inoxidáveis definidos como ligas à base de ferro com um percentual mínimo equivalente a 10,5 % de cromo. Eles são materiais que apresentam como características principais uma elevada resistência à corrosão, ao desgaste e à oxidação, às quais estão vinculadas principalmente pela presença de elementos de liga em sua composição. No entanto, ao passo em que esses elementos corroboram em boas propriedades aos aços inoxidáveis, por outro lado eles comprometem a usinabilidade desses materiais em virtude de elevarem a taxa de encruamento e, consequentemente elevando a dureza, por reduzirem a condutividade térmica (COTTEL, C. M., SPRAGUE, J. A., SMIDT JR, F. A., “ASM HANDBOOK: SURFACE ENGINEERING”, Ed. ASM International, 2004).

[011]. Apesar dos aços inoxidáveis serem materiais comumente empregados na indústria metal mecânica, existem ainda poucos trabalhos referentes à usinagem com ferramentas abrasivas de aços inoxidáveis, como pode ser observado nas seguintes patentes: US6379476B1, CN 201320423896, US08770424, US08776806, US3696486A, JP6880197A, CN 200710156458, CN 201310174793, CN 200680020362.

Descrição da invenção:

[012]. Esta invenção teve por finalidade determinar as condições mais adequadas para a usinagem em condição de acabamento de aço inoxidável, utilizando-se dois tipos de ferramentas abrasivas (alumina calcinada e alumina convencional) e dois tipos de fluidos de corte (sintético e semissintético) sob duas condições de penetração de trabalho (ae) (uma condição mais branda (ae1) e outra condição mais severa (ae2)), tendo em vista que a penetração de trabalho (ae) é definida como o quanto que a ferramenta de corte penetra na superfície da peça. Como parâmetros de saída do processo foram mensuradas a rugosidade Ra (Média aritmética dos valores absolutos das ordenadas no comprimento de amostragem), Rt (Soma da maior altura de pico do perfil e da maior profundidade de vale do perfil no comprimento de avaliação) e Rz (Soma da altura máxima dos picos e a maior das profundidades dos vales no comprimento de amostragem), como também a microdureza abaixo da superfície usinada. Foram ainda adquiridas as imagens das superfícies usinadas e realizada análise metalográfica para observar as micrografias das amostras. Por último foi também monitorada a potência elétrica de usinagem.

[013] . Nas Figuras 1, 2 e 3 são apresentados os resultados médios de rugosidade em termos dos parâmetros Ra (desvio aritmético médio), Rt (altura total do perfil) e Rz (altura máxima do perfil), respectivamente. Destas figuras pode-se afirmar que, de uma forma genérica, os valores médios de rugosidade concernentes aos parâmetros Ra, Rt e Rz aumentaram com a penetração de trabalho (ae), em todos os ensaios realizados na presença de fluidos de corte sintético e semissintético, independentemente do tipo de ferramenta abrasiva testada. Da teoria de usinagem, sabe-se que ao usinar com uma baixa penetração do ferramenta abrasiva de corte sobre a peça, haverá um reduzido número de partículas abrasivas atuando na remoção de material em um tempo de contato relativamente baixo, quando comparado a maiores valores de penetração de trabalho. Todavia, com a elevação dos valores de penetração de trabalho, o comprimento de contato da ferramenta abrasiva com a peça torna-se maior e, assim, o número de partículas abrasivas que atuam efetivamente na zona de contato com a peça aumenta proporcionalmente com a taxa de remoção de material e com a área de contato. Dessa forma, os esforços de corte da ferramenta sobre a peça aumentam, elevando por sua vez a temperatura na zona de corte e, consequentemente, afetando de forma negativa na qualidade da superfície usinada, ou seja, aumentando os valores de rugosidade da peça usinada.

[014] . Em termos do efeito gerado pelo tipo de fluido de corte, os valores médios de rugosidades Ra, Rt e Rz foram, em geral, maiores para os ensaios realizados com o fluido semissintético em comparação com os ensaios realizados com fluido sintético sob as mesmas condições de corte, penetração de trabalho (ae) e da ferramenta abrasiva Fig. 1, 2 e 3. Isso pode ser explicado pelo fato de os fluidos sintéticos assegurarem uma maior taxa de remoção de calor da zona de corte. Neste caso, houve menor empastamento da ferramenta abrasiva com os cavacos gerados o que exigiu menores esforços de corte, e consequentemente, contribuir para geração de menor temperatura na zona de contato ferramenta-peça. Com isso, houve melhoria das condições tribológicas que refletiu na melhor qualidade superficial (menores valores de rugosidade), em comparação com o fluido semissintético.

[015] . No que se refere ao tipo de abrasivo do ferramenta abrasiva de corte, a partir dos gráficos de rugosidade das peças nas Fig. 1, 2 e 3 pode-se observar que a ferramenta de alumina calcinada apresentou um melhor desempenho na condição de lubrirefrigeração em que foi empregado o fluido de corte sintético, em comparação com a ferramenta de alumina convencional, nas mesmas condições de corte. Isso pode ser explicado pelo fato das partículas de alumina calcinada apresentarem dureza superior e serem mais friáveis que aquelas partículas de alumina convencional, o que contribuiu para processo de fratura mais eficiente dos grãos abrasivos durante quebra ao longo do processo de usinagem. E esta fratura faz com que abrasivos mais pontiagudos sejam expostos durante o corte e assim exigindo menores esforços de corte, o que reflete na qualidade da peça, neste caso proporcionando baixos valores de rugosidade nas amostras usinadas. Essa característica combinada com a capacidade de refrigeração do fluido sintético resultou em um melhor desempenho desse desta ferramenta abrasiva nessas condições, gerando os menores valores de rugosidade, em especial, a baixas penetrações de trabalho (ae1).

[016] . Entretanto, na presença do fluido de corte semissintético o desempenho da ferramenta de alumina calcinada foi inferior à da ferramenta convencional, gerando valores de rugosidade, em termos dos parâmetros Ra, Rt e Rz, maiores nas mesmas condições de operação, Fig. 1, 2 e 3, respectivamente. E este resultado permite inferir que esta combinação para a usinagem de acabamento do aço inoxidável não é apropriada. Logo, a combinação de parâmetros de corte ideal para a usinagem de acabamento do aço inoxidável, em termos de rugosidade, é aquela em que foi empregada a ferramenta de alumina calcinada, com um fluido sintético, a uma penetração de trabalho mais branda (ae1).

[017] . Nas Figuras 4 e 5 são apresentados os gráficos com os perfis de microdureza das amostras usinadas com as ferramentas de alumina calcinada e de alumina convencional, respectivamente, e na presença de um fluido sintético. Cabe ressaltar que utilizou-se como referência o valor de microdureza média do material antes de ser usinado, sendo que a variação desses valores é um indicativo de possíveis danos de origem térmica gerados pelo processo, posto que as elevadas temperaturas na zona de corte podem alterar a microestrutura do material e levando à uma variação na dureza do mesmo, que pode ser aferida através de medições de microdureza.

[018] . A partir das Fig. 4 e 5, observa-se que a usinagem sob condição mais branda (ae1) resultou na menor variação da microdureza em relação àquela considerada de referência, independente da ferramenta de corte empregada. No entanto, ao realizar a comparação entre as ferramentas, observa-se que aquela de alumina calcinada, Fig. 4, foi mais eficiente neste quesito. Por exemplo, ao empregar a penetração de trabalho mais branda (ae1) a margem de variação dos valores de microdureza foi mais estreita, 90 μm abaixo da superfície usinada, enquanto que para a ferramenta de alumina convencional na mesma condição, a margem foi de 150 μm, Fig. 5.

[019] . Dessa forma, na presença do fluido sintético, a ferramenta de alumina calcinada mostrou-se mais eficiente, por proporcionar tanto uma menor variação na microdureza em relação à referência do material bem como uma margem mais estreita de variação, em relação à distância abaixo da superfície usinada.

[020] . Nas Figuras 6 e 7 são apresentados os gráficos com os perfis de microdureza das amostras usinadas com o fluido de corte semissintético e ferramenta abrasiva de cortes de alumina calcinada e alumina convencional, respectivamente, tomando-se como base o valor de microdureza média (referência) do material antes de ser usinado. A análise referente ao efeito gerado pela variação na penetração de trabalho (ae) mostrou que sob a condição mais severa (ae2) a variação no perfil de microdureza foi mais significativa em relação à condição mais branda (ae1), independentemente da ferramenta. No entanto, o efeito gerado pelas ferramentas abrasivas de corte, na presença do fluido semissintético, foi inverso aquele gerado pelo uso do fluido sintético.

[021] . De acordo com as Fig. 6, tem-se que a variação de microdureza proporcionada pelo uso da ferramenta de alumina calcinada foi maior do que a variação proporcionada pelo uso da ferramenta de alumina convencional, Fig. 7, sob as mesmas condições de penetração de trabalho. A combinação entre o fluido o semissintético com a ferramenta de alumina calcinada à penetração de trabalho mais severa (ae2), Fig. 6, causou maior variação na microdureza que se estendeu até 210 μm abaixo da superfície usinada. Contudo, as amostras que foram usinadas com a ferramenta de alumina convencional, Fig. 7, apresentaram menores danos térmicos, quanto ao quesito de alteração na microdureza, sendo que na condição menos severa (ae1), a variação na microdureza estendeu-se até 130 μm, um valor quase 50 % menor que aquele observado ao usinar com o fluido semissintético em ambas as condições de penetração de trabalho (ae) adotadas. Assim, na presença do fluido semissintético, o uso da ferramenta de alumina convencional mostrou-se mais eficiente, por proporcionar tanto uma menor variação de microdureza em relação à referência média do material quanto uma margem mais estreita de variação, em relação à distância abaixo da superfície usinada.

[022] . De uma forma mais genérica, ao averiguar a influência da penetração de trabalho (ae) nos resultados de microdureza, pode-se observar que as amostras usinadas com a maior penetração de trabalho ae2 (condição severa), Fig. 4, 5, 6 e 7, foram aquelas que apresentaram as maiores evidências de danos térmicos em virtude da maior queda nos valores de microdureza em relação à referência média de microdureza do material, independente do fluido de corte e da ferramenta empregados.

[023] . Em termos da influência da condição de lubrirefrigeração empregada, ou seja, do tipo de fluido de corte, pode-se afirmar que as amostras usinadas com o fluido de corte sintético, Fig. 4 e 5, foram aquelas que resultaram na menor variação de microdureza abaixo da superfície, independentemente da penetração de trabalho (ae) e da ferramenta abrasiva empregados, em comparação com os resultados obtidos para as amostras usinadas na presença do fluido de corte semissintético, Fig. 6 e 7, nas mesmas condições de corte empregadas. Esta diferença de desempenho entre os dois tipos de fluidos de corte pode ser atribuída às propriedades referentes a cada um.

[024] . Quanto à análise da influência do tipo de ferramenta de corte, a ferramenta de alumina calcinada, em comparação com a de alumina convencional, possui partículas mais friáveis, ou seja, partículas que, ao sofrerem fratura ao longo do processo de usinagem de acabamento, geram novas arestas afiadas e que, teoricamente, resultaram em processo de remoção de cavaco mais eficiente. Dessa forma, os esforços mecânicos gerados sobre a superfície do material são menores; consequentemente, as temperaturas desenvolvidas na zona de corte são mais brandas, o que contribuiu para a redução da ocorrência de danos térmicos nas amostras.

[025] . A partir destes resultados, observa-se que a combinação da ferramenta com o fluido de corte também exerce influência na extensão da variação da dureza do aço inoxidável durante a usinagem. Sendo assim, a condição mais eficiente em termos de microdureza para a usinagem na condição de acabamento do aço inoxidável é a combinação entre ferramenta de alumina calcinada com o fluido sintético a uma penetração de trabalho mais branda (ae1), Fig. 4.

[026] . Na Figura 8 são apresentadas as imagens das superfícies de aço inoxidável usinadas, com a ferramenta de alumina calcinada e de alumina convencional, para ambas as condições de penetração adotadas (ae1 e ae2) e na presença de fluido de corte sintético. A partir destas imagens, pode-se verificar que o uso da ferramenta de alumina calcinada, em ambas as condições de penetração de trabalho (ae1 e ae2), proporcionou um melhor acabamento superficial às amostras, Fig. 8 (A e C), em comparação com o observado, sob as mesmas condições, nas amostras usinadas com a ferramenta de alumina convencional, Fig. 8 (B e D). A ferramenta de alumina calcinada proporcionou sulcos mais suaves e orientados, além de ter gerado menos danos à integridade das superfícies, nas quais foi constatado pouco material aderido e deslocamento lateral de material, Fig. 8 (A e C).

[027] . No entanto, quando se empregou a ferramenta de alumina convencional, o acabamento superficial das amostras de aço inoxidável ficou comprometido, tendo em vista que, além de serem observados sulcos mais profundos, constatou-se a presença de trincas perpendiculares ao sentido de usinagem, Fig. 8 (B) bem como destacamento de material, Fig. 8 (D). Essa distinção de efeitos gerados pelas ferramentas abrasivas adotadas está diretamente relacionada às propriedades de cada uma. A ferramenta de alumina calcinada é mais friável que a alumina convencional, logo quando as partículas desta ferramenta sofrem fratura e geram arestas de corte pontiagudas, que refletem diretamente na geração de um acabamento superficial mais uniforme nas amostras usinadas.

[028] . Quando a análise é refinada para o efeito gerado pelas condições das penetrações de trabalho, observou-se que, independentemente da ferramenta abrasiva adotada, o acabamento superficial ficou comprometido sob condições mais severas (ae2) de corte. Ou seja, quanto maior a penetração de trabalho (ae), pior foi a integridade superficial das amostras usinadas. Esse comportamento é explicado através da teoria de usinagem, na qual afirma-se que quanto maior a penetração da ferramenta na peça (ae), maior a quantidade de material removida, o que, em virtude das altas temperaturas e tensões desenvolvidas na zona de corte, prejudica a integridade superficial do material usinado.

[029] . Assim sendo, para o uso de um fluido de corte sintético, a condição de corte mais adequada para usinagem em condição de acabamento do aço inoxidável, quanto ao quesito de textura superficial, é empregar a combinação da ferramenta de alumina calcinada com condições mais brandas, menores valores de penetração de trabalho (ae1), Fig. 8 (A). Da mesma forma, na presença deste fluido de corte, a pior combinação encontrada é quando se empregou condições severas de penetração de trabalho (ae2) e uma ferramenta de alumina convencional, Fig. 8 (D).

[030] . Na Figura 9 estão apresentadas as imagens das superfícies de aço inoxidável usinadas ferramentas de alumina calcinada e alumina convencional, para ambas as condições de penetração de trabalho adotadas (ae1 e ae2) e na presença de fluido semissintético. A partir destas imagens, pode-se observar que na presença do fluido de corte semissintético, o uso da ferramenta de alumina convencional, Fig. 9 (B e D), proporcionou às superfícies usinadas um melhor acabamento superficial, do que o averiguado nas amostras usinadas com a ferramenta alumina calcinada, Fig. 9 (A e C), para ambas as condições de penetração de trabalho adotadas (ae1 e ae2).

[031] . Nas amostras usinadas com a ferramenta de alumina convencional, verificou-se que os sulcos gerados foram mais orientados, com evidência de pouco deslocamento de material da peça por causa da passagem dos grãos abrasivos, Fig. 9 (B), muito embora algumas descontinuidades tenham sido observadas sob a condição mais severa de penetração de trabalho (ae2), Fig. 9 (D). Todavia, em comparação com as imagens das superfícies referentes às amostras usinadas com a ferramenta de alumina calcinada, verificou-se que sob essas condições, o acabamento superficial ficou bastante comprometido com a presença de sulcos mais profundos e de material aderido na superfície, Fig. 9 (A) assim como a presença de severo destacamento de material da peça para a lateral e de rebarbas, em especial sob a condição mais severa de penetração de trabalho (ae2). Nesse sentido, verificou-se que, apesar da ferramenta de alumina calcinada ser mais friável, em virtude das propriedades do fluido semissintético, esta ferramenta não permitiu assegurar a integridade superficial das amostras de aço inoxidável.

[032] . Em termos do efeito gerado pela penetração de trabalho (ae), foi observado que, sob condições severas de penetração de trabalho (ae2), o acabamento superficial das amostras ficou comprometido, tendo em vista que houve uma maior remoção de material, nessas condições e, consequentemente, os danos superficiais foram maiores, conforme constatado através de material aderido e destacado, Fig. 9 (C e D). Nesse sentido, na presença do fluido de corte semissintético, sob condições brandas de penetração de trabalho (ae1) combinado com o uso de uma ferramenta de alumina convencional, proporcionou às amostras do aço inoxidável um melhor acabamento superficial, Fig. 9 (B).

[033] . Contudo, através de uma análise comparativa mais ampla, verificou-se que a melhor condição de todos os ensaios, em termos de acabamento superficial, para a usinagem em condição de acabamento de aço inoxidável, é a combinação entre o uso de um fluido de corte sintético com e alumina calcinada e em condições brandas de penetração de trabalho (ae1) Fig. 8 (A). E ainda pela mesma análise, a pior condição para a usinagem na condição de acabamento de aço inoxidável é o uso de um fluido de corte semissintético com o uso de um ferramenta abrasiva de corte de alumina calcinada e em severas condições de penetração de trabalho e, Fig. 9 (C).

[034] . A fim de que fosse realizada uma análise com maior acuidade acerca dos efeitos gerados pelos parâmetros operacionais de usinagem de acabamento nas amostras de aço inoxidável, foi efetuada uma análise das micrografias das mesmas após os ensaios experimentais. Seguiu-se um procedimento metalográfico rigoroso para a observação da superfície perpendicular aquela que foi usinada, a fim de que os efeitos gerados pelas temperaturas desenvolvidas durante o processo de usinagem fossem avaliados a partir da superfície usinada. Dessa forma, foi possível identificar possíveis danos gerados nas subsuperfícies.

[035] . Na Figura 10 está representada a microestrutura do aço inoxidável atacado quimicamente, na qual é possível observar que os elementos de liga característicos do material, encontram-se precipitados intergranularmente e intragranularmente sob a forma de precipitados de carbono do tipo M23C6 (coloração branca) na matriz do material (coloração preta).

[036] . Após os ensaios de usinagem e do ataque químico realizado nas amostras do aço inoxidável, foram obtidas as imagens das Figs. 11 e 12.

[037] . Na Figura 11, estão representadas as imagens das amostras usinadas sob a presença do fluido de corte sintético. Em todas as condições operacionais verificou-se uma maior concentração de precipitados próximos à superfície usinada, caracterizando uma alteração microestrutural devido ao processo de usinagem na condição de acabamento em questão, tendo em vista que ao longo do processo de remoção de material, altas temperaturas são desenvolvidas. E isso pode fazer com que, eventualmente, os elementos de liga do aço reajam quimicamente com o elemento carbono e, assim, formando precipitados que ficam alojados dentro e nos contornos de grão presentes na matriz do material. Essas regiões próximas à superfície que apresentam maior concentração de precipitados possuem uma dureza superior que, todavia, não foi detectada através das medições de microdureza.

[038] . Contudo, quando se empregou a ferramenta de alumina calcinada (Fig. 11 (A) e 11 (C)) e de alumina convencional sob a penetração de trabalho mais branda (ae1), Fig. 11 (B), a alteração microestrutural foi menos evidente do que a proporcionada pela ferramenta alumina convencional a uma penetração de trabalho mais severa (ae2), Fig. 11 (D), na qual se observa uma grande concentração de precipitados próximos à superfície usinada do aço em questão. Nesse sentido, o uso do fluido de corte sintético foi eficiente em termos de lubrirefrigeração proporcionando menores alterações microestruturais, exceto na condição e que foi utilizada a ferramenta de alumina convencional a uma penetração de trabalho mais severa, ae2.

[039] . Em contrapartida, na Fig. 12 são apresentadas imagens das superfícies atacadas quimicamente após ensaios de usinagem com o fluido de corte semissintético. A partir das Fig. 12 (A) e (C), notou-se a formação de uma fina camada branca (de dureza superior ao do aço inoxidável), o que permite inferir que ocorreu alteração microestrutural, ou no caso, de dano térmico, em decorrência do processo de usinagem em condição de acabamento com a ferramenta de alumina calcinada em ambas as condições de penetração de trabalho. Contudo, quando foi empregada a ferramenta de alumina convencional, não foi detectada a formação dessa camada branca, Figs. 12 (B) e (D). Dessa forma, sob essa condição, o uso do fluido de corte semissintético, combinado com a ferramenta de alumina convencional, proporcionou menores alterações microestruturais.

[040]. A partir das curvas de potência apresentadas nas Fig. 13 (A) e (B) e 14 (A) e (B), pode-se observar que o aumento no valor da penetração de trabalho (de ae1 para ae2) resultou em um aumento na energia consumida pela máquina ferramenta, como esperado, independentemente da ferramenta de corte e fluido de corte testados. Os valores de potência elétrica máxima (representada através dos picos nas curvas) foram significativamente maiores nos ensaios realizados à penetração de trabalho ae2 (condição severa). É importante ressaltar que de uma forma geral, independentemente do fluido de corte, penetração de trabalho e da ferramenta de corte, as curvas de potência de usinagem apresentam dois picos. O primeiro e mais elevado pico refere-se à usinagem efetiva; já o segundo pico abrange o processo de faíscamento, no qual a ferramenta abrasiva atua sobre a superfície usinada, sem que haja incremento na penetração de trabalho (ae). Tal operação é fundamental a fim de assegurar tolerâncias de forma estreitas características do processo de usinagem de acabamento em questão. Cada um dos ensaios experimentais (englobando a usinagem e o faíscamento) foi realizado a um tempo de 5 segundos, assegurado pelo deslocamento e velocidade de avanço da mesa da máquina-ferramenta, sobre a qual cada peça foi posicionada.

[041]. Em termos da influência do fluido de corte, a partir das Fig. 13 (A) e (B) e 14 (A) e (B) pode-se afirmar que os ensaios realizados na presença do fluido de corte semissintético, Fig. 14 (A) e (B), resultaram em maiores valores de potência elétrica do motor que move a ferramenta de corte em comparação com os resultados alcançados nos ensaios conduzidos na presença do fluido sintético, Fig. 13 (A) e (B). Este fenômeno está diretamente relacionado com propriedades de cada fluido, em especial com sua viscosidade. Como o fluido sintético possui menor viscosidade que o fluido semissintético, ele teoricamente tende a proporcionar uma melhor refrigeração da zona de corte ao espalhar melhor pela região de corte, gerando bolsões de fluido. Quando uma refrigeração em usinagem é mais eficiente, tanto a peça quanto a ferramenta de corte sofrem menos efeitos da temperatura da usinagem. No caso da ferramenta abrasiva de alumina (tanto a calcinada como a convencional), ela tende a ser mais estável térmica e quimicamente na usinagem de aços, o que favorece as condições tribológicas ideais para a formação de cavaco em relação a uma condição não adequada de refrigeração.

[042] . Dessa forma, os valores de potência elétrica obtidos nos ensaios realizados na presença do fluido sintético foram menores que os obtidos em relação ao fluido semissintético, nas mesmas condições de operação e na presença das duas ferramentas abrasivas empregadas. Quando a análise é refinada para a influência do tipo de ferramenta abrasiva empregada, observa-se que na presença do fluido de corte sintético, a ferramenta de alumina calcinada, Fig. 13 (A), proporcionou menores valores de potência elétrica, em relação aos valores obtidos, nas mesmas condições, com a ferramenta de alumina convencional, Fig. 13 (B). A partir desses gráficos, é possível afirmar que a ferramenta de alumina calcinada proporcionou uma remoção de material da peça de aço inoxidável de forma mais eficiente do que o proporcionado pela ferramenta de alumina convencional quanto ao quesito potência elétrica, sob as mesmas condições operacionais de penetração de trabalho (ae1 e ae2) e de lubrirefrigeração através do fluido sintético.

[043] . Todavia, quando adotou-se um fluido semissintético nos ensaios, a ferramenta de alumina convencional, Fig. 14 (B), proporcionou um consumo menor de energia, refletido através da potência de usinagem, em relação ao consumo de energia requerido ao longo dos ensaios com a ferramenta de alumina calcinada, Fig. 14 (A), em ambas as condições de penetração de trabalho (ae1 e ae2).

[044] . A partir dos resultados referentes à potência de usinagem, tem-se que o menor consumo de energia ao longo dos ensaios de usinagem de acabamento foi obtido na condição em que se empregou uma ferramenta de alumina calcinada, um fluido de corte sintético e a baixos valores de penetração de trabalho (ae1), Fig. 13 (A). Por outro lado, o uso dessa mesma ferramenta de alumina calcinada, sob a condição mais severa de penetração de trabalho (ae2) e na presença de um fluido semissintético, Fig. 14 (A), proporcionou o maior consumo de energia entre todos os ensaios de usinagem das amostras de aço inoxidável.

[045]. Nesse sentido, a partir dos ensaios de usinagem na condição de acabamento das amostras de aço inoxidável, a análise dos parâmetros de rugosidade Ra, Rt e Rz, microdureza, imagens das superfícies usinadas, análise das micrografias e potência de usinagem, o uso da ferramenta de alumina calcinada, aliado ao uso de um fluido de corte sintético e sob baixas penetrações de trabalho (ae1) foram as condições de usinagem mais adequadas que foram obtidas, pois refletiram em baixos valores de rugosidade das superfícies, pouca variação na microdureza das amostras usinadas, um acabamento superficial e subsuperficial superior, com baixas variações microestruturais, bem como um baixo consumo de energia.
Listagem de Figuras:
Figura 1: Rugosidade (Ra) medida nas superfícies usinadas de aço inoxidável na presença dos fluidos de corte sintético e semissintético e com ferramentas de alumina calcinada e de alumina convencional em diferentes penetrações de trabalho (ae1 e ae2).
Figura 2: Rugosidade (Rt) medida nas superfícies usinadas de aço inoxidável na presença dos fluidos de corte sintético e semissintético e com ferramentas de alumina calcinada e de alumina convencional em diferentes penetrações de trabalho (ae1 e ae2).
Figura 3: Rugosidade (Rz) medida nas superfícies usinadas de aço inoxidável na presença dos fluidos de corte sintético e semissintético e com ferramentas de alumina calcinada e de alumina convencional em diferentes penetrações de trabalho (ae1 e ae2).
Figura 4: Perfil de microdureza do aço inoxidável com ferramenta de alumina calcinada na presença do fluido sintético em diferentes penetrações de trabalho (ae1 e ae2).
Figura 5: Perfil de microdureza do aço inoxidável com ferramenta de alumina convencional na presença do fluido sintético em diferentes penetrações de trabalho (ae1 e ae2).
Figura 6: Perfil de microdureza do aço inoxidável ferramenta de alumina calcinada na presença do fluido semissintético em diferentes penetrações de trabalho (ae1 e ae2).
Figura 7: Perfil de microdureza do aço inoxidável ferramenta de alumina convencional na presença do fluido semissintético em diferentes penetrações de trabalho (ae1 e ae2).
Figura 8: Imagens das superfícies de aço inoxidável usinadas na condição de lubrirefrigeração através do fluido sintético combinado com:

• A) Ferramenta de alumina calcinada sob a condição mais branda (ae1).
• B) Ferramenta de alumina convencional sob a condição mais branda (ae1).
• C) Ferramenta de alumina calcinada sob a condição mais severa (ae2).
• D) Ferramenta de alumina convencional sob a condição mais severa (ae2).

Figura 9: Imagens das superfícies de aço inoxidável usinadas na condição de lubrirefrigeração através do fluido semissintético combinado com:

• A) Ferramenta de alumina calcinada sob a condição mais branda (ae1).
• B) Ferramenta de alumina convencional sob a condição mais branda (ae1).
• C) Ferramenta de alumina calcinada sob a condição mais severa (ae2).
• D) Ferramenta de alumina convencional sob a condição mais severa (ae2).

Figura 10: Microestrutura do aço inoxidável
Figura 11: Micrografias das amostras de aço inoxidável após usinagem de acabamento com fluido sintético e ferramentas de alumina calcinada e de alumina convencional:

• A) Ferramenta de alumina calcinada sob a condição mais branda (ae1).
• B) Ferramenta de alumina convencional sob a condição mais branda (ae1).
• C) Ferramenta de alumina calcinada sob a condição mais severa (ae2).
• D) Ferramenta de alumina convencional sob a condição mais severa (ae2).

Figura 12: Micrografias das amostras de aço inoxidável após usinagem de acabamento com fluido semissintético e ferramentas de alumina calcinada e de alumina convencional.

• A) Ferramenta de alumina calcinada sob a condição mais branda (ae1).
• B) Ferramenta de alumina convencional sob a condição mais branda (ae1).
• C) Ferramenta de alumina calcinada sob a condição mais severa (ae2).
• D) Ferramenta de alumina convencional sob a condição mais severa (ae2).

Figura 13: Potência elétrica durante a usinagem do aço inoxidável na presença do fluido sintético combinado com:

• A) Ferramenta de alumina calcinada sob a condição mais branda (ae1) e a condição mais severa (ae2).
• B) Ferramenta de alumina convencional sob a condição mais branda (ae1) e a condição mais severa (ae2).

Figura 14: Potência elétrica durante a usinagem do aço inoxidável na presença do fluido semissintético combinado com:

• A) Ferramenta de alumina calcinada sob a condição mais branda (ae1) e a condição mais severa (ae2).
• B) Ferramenta de alumina convencional sob a condição mais branda (ae1) e a condição mais severa (ae2).

Claims (1)

1. Parâmetros operacionais ótimos para a usinagem de acabamento de aços inoxidáveis caracterizado pelo uso de uma ferramenta de alumina calcinada, combinada com a aplicação de um fluido de corte sintético sob baixos valores de penetração de trabalho (ae1).

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