Integridade da superfície usinada no torneamento de barras de aço ABNT 1045

Abstract

Neste trabalho foram investigadas as influências de alguns dos principais fatores do torneamento sobre o acabamento da superfície, rugosidade, tensões residuais e microdureza em um conjunto de amostras. Foram analisadas barras de aço ABNT 1045 torneadas e utilizou-se a técnica de planejamento de experimentos (DoE) para formar trinta e duas diferentes combinações de fatores, analisar suas interações e sua influência no acabamento de cada amostra. Os fatores de usinagem investigados foram: (1) avanço, (2) velocidade de corte, (3) raio de quina, (4) ângulo de saída e (5) posição axial. Analises fatoriais foi avaliaram a influência dos cinco fatores na rugosidade média (Ra) e a eficácia de cada conjunto de fatores em obter o acabamento alvo (Ir). Utilizou-se a técnica de difração de raios-X para medir as tensões residuais em sete das dezesseis amostras. As tensões foram medidas na superfície e em profundidades de 5, 10, 20, 50 e 75 μm com auxílio de ataque eletrolítico. Por fim foi realizada análise metalográfica da superfície usinada e perfil de microdureza. Os resultados mostraram que o avanço e o raio de quina possuem elevado efeito padronizado em ambas as análises. Porém, para ambos, enquanto que a aplicação de um menor avanço (ou maior raio de quina) produziu superfícies com baixo Ra, por outro lado também prejudicou a eficácia do torneamento pois contribuiu para obtenção de rugosidade significativamente maior que a teórica. Já o fator velocidade de corte quando teve seu valor elevado foi benéfico ao processo em ambas as análises. Não foi encontrada relevância da região de medição da rugosidade sobre Ra. As tensões residuais sofreram elevada influência dos fatores avanço e velocidade de corte, enquanto o ângulo de saída e o raio de quina mostraram pequeno efeito. A qualidade do acabamento da superfície, regular ou irregular, apresentou relação direta com o mecanismo de geração das tensões residuais. O perfil de microdureza medido mostrou valores de dureza elevados nas amostras com superfície regular e em regiões com maior tensão residual.

This paper investigated the influence of some of the main turning parameters in surface finishing, roughness, residual stress and microhardness of turning samples. Design of experiments (DoE) approach controlled the machining factors of the 0.45%C (ABNT 1045) steel bars samples. DoE also were applied to organize a total of thirty-two parameters combination, analyze its interactions and influences in each sample’s surface finish. Machining parameters investigated were: (1) feed rate, (2) cutting speed, (3) nose radius, (4) rake angle and (5) region of roughness measurement. Factorial analysis evaluated the influence of those five parameters in the average roughness (Ra) and the accuracy of each parameters combination to achieve the expected surface finish (Ir). The X-ray diffraction technique was used to measure the residual stresses in seven out of sixteen samples. The tensions were measured at their surface and at depths of 5, 10, 20, 50 and 75 μm by means of electrochemical material removal. In addition metallographic analysis of the machined surface and microhardness profile were conducted. Results showed that parameters as feed rate and nose radius have strong standardized effect in both factorial analysis. Results shown that reduction of the feed rate (or increase in nose radius) were able to produce lower roughness average (Ra) but, on the other hand, it also contribute to generate a surface roughness significant higher than theoretical roughness. The increase in cutting speed was beneficial to both, achieving a lower roughness average and improving process accuracy. The region of roughness measurement was found not significant to influence Ra. The residual stresses were strongly influenced by the feed rate and cutting speed factors, while the rake angle and nose radius showed small effect. The quality of the surface finish, regular or irregular, was directly related to residual stresses generation mechanism. The microhardness profile shown higher microhardness in samples with regular surface finish and in depths with higher residual stress.