Investigação da rugosidade da superfície torneada do aço SAE 4140 utilizando ferramentas com geometrias Wiper® e Prime® através do projeto de experimentos Box-Behnken

Abstract

O acabamento dado à peça nos processos de usinagem é uma das prioridades na indústria metal mecânica, visando aumentar a segurança, a vida e a confiabilidade do produto fabricado. Em geral, este acabamento é avaliado através de parâmetros de rugosidade. Neste trabalho, investigou-se o perfil e o parâmetro Ra (rugosidade média) das superfícies torneadas do aço SAE 4140 utilizando ferramentas com geometria Wiper e Prime. As combinações de parâmetros [velocidade de corte (vc), avanço (f) e profundidade de corte (ap)] em três níveis cada foram variadas aleatoriamente utilizando o projeto de experimentos Box-Behnken (BBD) para que se pudesse determinar a combinação ótima de parâmetros para cada ferramenta. Além disso, a Análise de Variância mostrou que somente o avanço tem influência significativa sobre os valores de rugosidade média para ambas as ferramentas. No entanto, a Wiper apresentou rugosidades acima do esperado para o nível mais baixo de avanço provavelmente devido ao esmagamento do cavaco sobre a superfície usinada, pois o cavaco teve dificuldade de cisalhar e ser removido da zona de corte. Para os níveis utilizados, os menores valores registrados de rugosidade média foram Ra = 0,48 m (Wiper) e Ra = 0,93 m (Prime). Através do BBD, os parâmetros de corte ótimos obtidos visando atingir o menor valor de Ra foram: vc = 340 m/min, f = 0,227 mm/rev. e ap = 0,60 mm (Wiper); e vc = 280,4 m/min, f = 0,15 mm/rev. e ap = 0,60 mm (Prime).

The finishing in machining process is one of the priorities in the metalworking industry in order to increase the safety, life and reliability of the manufactured product. Usually, this finish is evaluated through roughness parameters. In this work, the roughness profile and parameter Ra of the machined surfaces of SAE 4140 steel after turning with Wiper and Prime tools were investigated. Cutting parameters combinations [cutting speed (vc), feed-rate (f) and depth of cut (ap)] at three levels each were randomly varied using the Box-Behnken Design (BBD) to determine the optimal combination of cutting parameters for each tool. In addition, the Analysis of Variance showed that only the feed-rate has significant influence on the Ra values for both tools. However, the Wiper tool presented roughness higher than expected for the lower level of feed-rate probably due to the chip crushing on machined surface, since the chip had difficulty to shear and leave the cutting zone. Considering the levels used, the lowest measured values of average roughness were Ra = 0.48 m (Wiper) e Ra = 0.93 m (Prime). Through the BBD, the optimum cutting parameters were defined aiming to reach the lowest Ra value: vc = 340 m/min, f = 0.227 mm/rev. e ap = 0.60 mm (Wiper); e vc = 280.4 m/min, f = 0.15 mm/rev. e ap = 0.60 mm (Prime).