Relatório DoE

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC 
CENTRO DE ENGENHARIA, MODELAGEM E CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 
JOÃO HENRIQUE ASSUNÇÃO VIEIRA 
 
Avaliação da força de corte e da rugosidade da superfície no torneamento a seco do compósito in-situ 
de matriz metálica Al-Mg2Si inoculado com bismuto usando a abordagem DOE 
PROBLEMA 
Os compósitos com matriz de metal particulado Al-Mg2Si (PMMC) atualmente foram temas de 
muitas pesquisas voltadas para investigação e caracterização de suas propriedades aprimoradas, 
porém, não há muitas investigações sobre suas características de usinabilidade, especialmente com a 
adição de bismuto na composição. 
INTERESSE 
Estudar e avaliar os parâmetros de usinagem, e os efeitos dos elementos modificadores na 
força de corte e na rugosidade da superfície ao tornear a seco o material Al – Mg2Si com uma 
ferramenta de metal duro revestido (K10U). 
DESENVOLVIMENTO 
Para fabricação das amostras utilizou-se uma liga Al-11Si-2Cu disponível comercialmente, 
alumínio puro e magnésio puro foram usados como materiais de partida para ajustar a composição 
química. A Tabela 1 mostra a composição obtida. Seguindo foi adicionado 0,4% em de bismuto (99,99% 
em peso). O material fundido foi agitado, removeu-se a escória e depois cuidadosamente vazado à 
temperatura de 730 ± 5 ° C, fabricando uma peça cilíndrica com uma dimensão de 40 mm de diâmetro 
e 400 mm de comprimento. O processo foi repetido para produzir a peça composta sem adição de Bi. 
As microestruturas foram examinadas usando um microscópio óptico (Microphot-FXL, Nikon, 
Japão) e um microscopia eletrônica de varredura (Supra-35VP, Carl Zeiss, Alemanha) acoplada à 
instalação de espectroscopia de energia dispersiva (EDS). 
Tabela 1- Composição química do compósito fabricado 
 
Os ensaios experimentais foram realizados em Al – 20% Mg2Si (não modificado) e Al – 20% 
Mg2Si – 0,4% Bi (modificado). Com um torno CNC as amostras foram torneadas produzindo uma barra 
uniforme com uma dimensão de 22 cm de comprimento e 38 mm de diâmetro. Os ensaios de usinagem 
foram realizados usando um Máquina de torno CNC (Alpha 1350S, Harrison, Reino Unido), que possui 
uma unidade de potência de 8,3 kW e velocidade máxima do fuso de 6000 rpm. 
Os fatores ou dados do experimento podem ser categorizados como variáveis controláveis e 
incontroláveis. Variáveis incontroláveis também são conhecidas como fatores de ruído, enquanto os 
níveis dos fatores controláveis devem ser determinados. As variáveis nesta investigação, apenas três 
 
fatores controláveis foram considerados. velocidade de corte (Vc), taxa de avanço (f) e modificador 
(com Bismuto). De acordo com a tabela 2. A profundidade de corte foi mantida constante para cada 
observação em que foi utilizado um valor de 0,5 mm e os valores de nível foram selecionados entre as 
faixas recomendadas pelo fabricante da ferramenta de corte. Todos os ensaios experimentais os 
resultados das respostas são apresentados na Tabela 3. 
Tabela 2 - Resumo do projeto 
 
Tabela 3 - Variáveis de resposta 
 
SOLUÇÃO 
A Figura 1 mostra o mapeamento elementar do compósito fabricado sem adição de Bi, 
indicando que as partículas são compostas por elementos Mg e Si, que são distribuídos na matriz de 
alumínio. Além disso, com base no perfil EDS mostrado na Fig. 1, a razão atômica de Mg é quase o 
dobro da do elemento Si, a fim de formar a estrutura molecular de partícula Mg2Si. 
As micrografias da peça sem bismuto do Al – 20% Mg2Si são mostradas nas Fig. 2 (a) e (b) e 
as partículas grossas de Mg2Si poliédricas. As microestruturas da peça contendo 0,4% em peso de Bi 
é mostrada na Fig. 2 (c) e (d). Fica claro pelas microestruturas observadas que a adição de Bi ao 
compósito alterou o Mg2Si grosso e modificou a forma das partículas. Os resultados obtidos mostraram 
que com a adição de bismuto houve uma redução no tamanho da partícula de 21 para 10 µm. O 
tamanho do reforço diminuiu 52% e a densidade e a proporção aumentaram 174% e 4%, 
respectivamente. Vale ressaltar que o valor da resistência à tração final (UTS) para o compósito sem 
Bi foi de 103,8 ± 6,1 MPa, que aumentou para 115,9 ± 9,3 com a adição de 0,4% em peso de Bi. Além 
disso, a peça sem Bi apresentou El% de 0,65 ± 0,10, que foi menor do que a de 0,4% em peso de Bi 
(0,65 ± 0,10). 
Os resultados mostram que a variação na força de corte, quando comparadas as peças de 
trabalho, está relacionada à alteração da microestrutura, como tamanho, forma e densidade das 
partículas, que influenciam totalmente o processo de torneamento. 
 
Figura 1-Mapeamento elementar do compósito Al – 20Mg2Si mostrando a distribuição dos elementos Al, Mg e Si 
 
gura 2- Micrografias ópticas e SEM do compósito Al – 20%Mg2Si (a e b) sem e (c e d) com adição de Bi. 
 
 Como pode ser visto na Tabela 3, força de corte para peça com adição de Bi teve os menores 
valores como resultados. A microestrutura da amostra modificada foi analisada sob microscopia 
eletrônica de varredura usando elétrons de dispersão conforme a Figura 3, onde uma partícula branca 
foi observada na microestrutura fechada para a partícula Mg2Si. A espectroscopia dispersiva de energia 
correspondente (EDS) revelou que esta partícula é um composto Bi. Devido à solubilidade limitada do 
Bi na matriz de alumínio, 0,3% em peso a 658 °C, Bi forma partículas insolúveis com baixo ponto de 
fusão disperso na matriz. 
A tabela ANOVA mostrada na Tabela 4 mostra que os fatores significativos são A, B e C que 
afetam as respostas positiva ou negativamente, pois o valor p é menor que 0,05 no nível de confiança 
de 95%. A relação sinal / ruído é mostrada pela Precisão Adequada e a relação desejável é maior que 
 
4, que no presente estudo o valor para R1 é 29,08. Para examinar isso, as estimativas dos coeficientes 
verdadeiros estão em 95% do intervalo interno de confiança (IC), alto e baixo, foi aplicada a tabela 
ANOVA pós (Tabela 5). Os modelos preditivos podem ser apresentados usando duas equações 
diferentes, em termos reais e codificados. A equação não é adequada para determinar a influência 
relativa de cada fator, pois os coeficientes são determinados para corresponder às unidades de cada 
fator e a interceptação não está no centro do espaço do projeto. As equações a seguir são extraídas 
como modelo empírico final nos fatores codificados em formato (Eq. (1)) e nos fatores reais não 
modificados (Eq. (2)) e modificados (Eq. (3)) na profundidade constante do valor de corte de 0,5 
milímetros. 
Figura 3-Imagem da microscopia eletrônica de varredura e espectros EDS correspondentes da partícula Bi 
 
Tabela 4 - Aalise da variancia para força de corte 
 
Tabela 5- Tabela pós ANOVA para força de corte 
 
 
A partir da Figura 4 (a), pode-se observar que os resíduos seguem uma distribuição normal. O 
gráfico na Figura 4 (b) fornece uma orientação para selecionar a transformação correta da lei de 
energia. Uma transformação recomendada é listada, com base no melhor valor lambda, encontrado no 
ponto mínimo da curva gerado pelo logaritmo natural da soma dos quadrados dos resíduos. 
 
Figura 4 - Gráfico de probabilidade normal dos resíduos (a) e gráfico de Box-Cox (b) para força de corte. 
 
Na rugosidade ocorreu uma redução com adição do Bi observada em todos os testes. Existe uma alta 
tendência para formar aresta construída em não modificada em relação a modificada, a adição de Bi 
resultou na alteração da morfologia das partículas, como densidade, tamanho e forma, reduzindo 
consequentemente a tendência de formar aresta construída. Como mostrado na Figura 5. É evidente 
que a aresta formada no Al A amostra composta de –20% Mg2Si cobre completamente a ponta da 
ferramenta de corte e alterou a geometria da ferramenta. Os resultados mostram que o valor da 
rugosidade da superfície diminui quando a velocidade de corte aumenta. 
Figura 5-Os diferentes tipos de formação dearesta de construçãona velocidade de corte de 210m / min e taxa de 
avanço de 0,2 mm / rot para (a) não modificado e (b bi-modificado). 
 
Na Figura 6 (a) a (c) mostram as seções transversais da liga de base na qual as partículas 
grossas de Mg2Si são fraturadas, alongadas e desassociadas e retiradas da matriz de alumínio pela 
ferramenta durante o processo de torneamento. As Fig. 6 (d) a (f) representam as partículas cortadas, 
alongadas e arrancadas, respectivamente para peça com adição de de Bi. Mostrando claramente a 
tendência diferente em termos de interação entre a partícula e a ponta da ferramenta para ambos os 
casos. Existem três cenários durante a usinagem de compósitos com matriz de metal, conforme 
ilustrado na Fig. 7. No primeiro cenário, a partícula está no caminho de corte, de modo que ela será 
fraturada e cortada como mostrado nas Figuras. 6 (a) e (d) e 7 (a). No segundo, a partícula está 
localizada sob o caminho de corte, de modo que a partícula será alongada como mostrado na figura 
Fig. 6 (b) e (e) e 7 (b). O último é que a partícula está acima do caminho de corte que será retirado e 
retirado da matriz e consequentemente produzirá cavidades e vazios, como mostrado na figura 
Figurass. 6 (c) e (f) e 7 (c). O torneamento da peça modificada permitiu obter melhor rugosidade da 
superfície em comparação com a peça não modificada em termos de des união de reforços. O avanço 
tem um efeito adverso na rugosidade da superfície aumentando a taxa de avanço de 0,1 mm / rot para 
0,2 mm / rot, a rugosidade da superfície se torna progressivamente pior. 
 
 
Figura 6 - As diferentes áreas de seção transversal das amostras usinadas na velocidade de corte de 210 m / 
min e taxa de avanço de 0,2 mm / rev para (a, b e c) não modificadas e (d, e e f) peças modificadas bi. 
 
 
Figura 7 - desenho apresentando três cenários de localização de partículas com relação à direção de corte: (a) 
ao longo, (b) abaixo e (c) acima do caminho de corte. 
 
A ANOVA na Tabela 6 fornece evidências que confirmam estatisticamente os efeitos 
significativos. O valor F do modelo de 296,37 indica que o modelo é significativo. O valor do R-quadrado 
é muito próximo de 1, o que é muito desejável. A Tabela 7, as estimativas do coeficiente verdadeiro 
podem ser encontradas na faixa alta e baixa interna de confiança. O modelo empírico final nos fatores 
codificados em formato (Eq. (4)) e os fatores reais para não modificados (Eq. (5)) e modificados (Eq. 
(6)) são determinados da seguinte forma: 
 
A figura 8 (a) revela que os resíduos seguem uma distribuição normal. Nenhuma transformação 
está sendo recomendada devido ao intervalo de confiança de 95% em torno deste lambda inclui 1 de 
acordo com a Fig. 8 (b). 
Para examinar a morfologia dos cavacos, foram coletadas amostras em todos os testes. A 
Figura 9 (a) e (b) mostra a seção transversal dos cavacos descontínuos obtidos ao girar as peças sem 
 
e com adição de, mostram que a adição de Bi resultou na redução do comprimento médio dos 
segmentos de cavacos de 5,45 ± 0,71 mm para 3,91 ± 0,76 mm. 
Tabela 6 - Tabela de análise de variância para rugosidade da superfície 
 
Tabela 7 -Tabela ANOVA pós para a rugosidade da superfície. 
 
Figura 8-Gráfico de probabilidade normal dos resíduos (a) e gráfico de Box-Cox (b) para a rugosidade da 
superfície 
 
Figura 9 - Morfologia de cavacos para Al – 20Mg2Si na velocidade de corte de 210 m / min e taxa de avanço no 
valor de 0,2 mm / rot (a) sem e (b) com adição de Bi. 
 
Para determinar a importância dos fatores de resposta no software, a rugosidade da superfície 
é definida em 5 pontos positivos (+++++) e a força de corte em 3 pontos positivos (+++). A faixa ideal 
para a seleção da velocidade de corte e dos valores da taxa de avanço para minimizar a força de corte 
e a rugosidade da superfície é maior velocidade de corte e menor taxa de avanço, como mostrado na 
Figura 10. Foram realizadas seis experiências de confirmação em diferentes condições de obtenção 
para verificar a adequação do modelo desenvolvido e estão resumidos na Tabela 8. O erro residual e 
percentual calculado e o valor previsto e os valores experimentais reais foram comparados. Valores 
mais altos de a velocidade de corte (210 m / min) e os valores mais baixos da taxa de avanço (0,1 mm 
 
/ rot) são recomendados para obter uma rugosidade da superfície apreciável com a menor força de 
corte. 
Figura 10 - Gráfico de desejabilidade. 
 
Tabela 8 - Confirmação experimental 
 
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO / TESTES 
O projeto fatorial multinível foi usado para examinar o efeito da velocidade de corte (70–210 m 
/ min), taxa de avanço (0,1–0,2 mm / rot) e adição de Bi na força de corte e rugosidade da superfície 
de Al – 20% Mg2Si in situ composto. As condições ideais de corte recomendadas são 210 m / min e 
taxa de avanço a 0,1 mm / rot na presença de Bi. De acordo com a análise ANOVA, todos os principais 
efeitos dos parâmetros de usinagem afetam a força de corte e a rugosidade da superfície. Modelos 
preditivos para força de corte e rugosidade da superfície são estatisticamente significativos, pois o valor 
de p é menor que 0,05 no nível de confiança de 95%. 
A adição de bi afeta a morfologia dos cavacos e reduz o comprimento médio dos cavacos. Os 
resultados mostram que o Bi pode alterar a morfologia dos reforços grossos de Mg2Si quando o 
tamanho médio diminui em 52% e a densidade média e a proporção média aumentam 174% e 4% de 
forma significativa. A adição de Bi leva a menor força de corte, baixa tendência a formar arestas 
acumuladas e melhor rugosidade da superfície devido ao derretimento localizado de Bi durante o 
torneamento. 
REFERÊNCIA 
Razavykia, A.; Farahany,S.; Yusof, N.M.. Evaluation of cutting force and surface roughness in the dry 
turning of Al–Mg2Si in-situ metal matrix composite inoculated with bismuth using DOE approach. 
Measurement, Elsevier, vol. 76, pp. 170–182, 2015.