Characterization and performance evaluation of abrasive cutoff discs

Abstract

Processos abrasivos, conhecidos por sua alta eficiência e confiabilidade, são fundamentais na manufatura e em diversas áreas na engenharia. No entanto, a interação entre grãos abrasivos, material da peça e o resultado da usinagem ainda é pouco compreendida, tornando essencial a análise detalhada dos discos para otimizar sua produção e desempenho. A fabricação de discos abrasivos é apoiada em centenas de anos de métodos de tentativa e erro, levando à produção customizada das ferramentas à dificuldade de caracterização da estrutura e propriedades intrínsecas. Este processo envolve a seleção criteriosa de grãos abrasivos, mistura de aditivos e uniformidade para garantia de qualidade do produto final. A produção moderna de discos abrasivos tem se beneficiado de avanços tecnológicos, incluindo o controle da microestrutura para personalizar a geometria e distribuição dos grãos abrasivos. Um exemplo dessa técnica é o método de fabricação sol-gel. Esta dissertação investiga o desempenho e as características dos discos abrasivos utilizados em procedimentos de corte, com um foco específico na avaliação de suas propriedades microestruturais, composição de cinzas, coloração de cavacos e experimentos de corte com controle de força. O objetivo principal é reconhecer os atributos que representam eficácia em discos abrasivos. Três discos empregando diferentes abrasivos, óxido de alumínio eletrofundido, óxido de alumínio sol-gel e uma mistura de alumina tenacificada por zircônia (ZTA) e óxido de alumínio, foram examinados e testados com dois materiais de corte, aço inoxidável (AISI 304) e aço baixo carbono com manganês (ST52-3). Por fim, identificou-se o disco de óxido de alumínio sol-gel como a opção preferida devido ao seu método de produção distinto, geometria de abrasivos diferenciada, tamanho de grão maior e volume reduzido de grãos abrasivos. Embora os discos de óxido de alumínio tenham apresentado velocidades de corte mais altas, os discos de zircônia proporcionaram uma longevidade superior. Estudos subsequentes poderiam se concentrar em refinar ainda mais os materiais do disco e os métodos de fabricação para melhorar o desempenho em cenários de corte industrial.

Abrasive processes, known for their high efficiency and reliability, are fundamental in manufacturing and in various fields of engineering. However, the interaction between abrasive grains, workpiece material and the machining result is still relatively unknow, making detailed analysis of the discs essential to optimize their production and performance. The manufacture of abrasive discs is supported by hundreds of years of trial and error methods, leading to the customized production of tools and the difficulty of characterizing the structure and inherent properties. This process involves the careful selection of abrasive grains, additives, and uniformity to guarantee the quality of the final product. Modern abrasive disc production has benefited from technological advances, including microstructure control to customize the geometry and distribution of abrasive grains. An example of this technique is the sol-gel manufacturing method. This dissertation investigates the performance and characteristics of abrasive discs used in cutting procedures, with a specific focus on evaluating their microstructural properties, ash composition, chip coloration and force-controlled cutting experiments. The main objective is to recognize the attributes that make abrasive discs effective. Three discs using different abrasives, electrofused aluminum oxide, solgel aluminum oxide and a mixture of zirconia toughened alumina (ZTA) and aluminum oxide were studied, and tested with two workpiece materials, stainless steel (AISI 304) and low carbon steel with manganese (ST52-3). Finally, the solgel aluminum oxide disc was identified as the top option due to its distinct production method, different abrasives geometry, larger grain size and reduced abrasive grain volume. Although the aluminum oxide discs showed higher cutting speeds, the ZTA discs provided superior longevity. Subsequent studies could focus on further refining disc materials and manufacturing methods to improve performance in industrial cutting scenarios.