7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
15 a 19 de abril de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil
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April 15 to 19 , 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
INFLUÊNCIA DO NÚMERO DE INTERRUPÇÕES DO TESTE PARA
MEDIR O DESGASTE NA VIDA DA FERRAMENTA NO PROCESSO DE
TORNEAMENTO
Janaína Aparecida Pereira, [email protected]
Sérgio Abrão Retes Júnior, [email protected]
Álisson Rocha Machado, [email protected]
1
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Laboratório de Ensino e Pesquisa em
Usinagem - Campus Santa Mônica - 38400-100 - Uberlândia – MG – Brasil
Resumo: Em testes realizados no laboratório de ensino e pesquisa em usinagem – LEPU, observou-se que o número
de paradas programadas para se medir o desgaste da ferramenta de metal duro (ISO P35 revestidas com
TiCN/Al2O3/TiN) durante ensaios de vida no torneamento de um aço microligado (DIN 38MnSiVS5) a seco, teve
influência significativa nos resultados. Nesses experimentos as condições de corte foram fixas (velocidade de corte vc
= 250 m/min, avanço f = 0,2 mm/volta e a profundidade de corte ap = 2,0 mm) e a vida média encontrada após 42
testes foi de 18,25 min. Nestes 42 testes, o número médio de paradas ao longo do teste, para que se pudesse medir o
desgaste da ferramenta foi de 11 vezes. Após estes resultados, programaram-se outros testes, utilizando as mesmas
condições de corte, com paradas programadas para se medir o desgaste em menores números (5, 3 e 2 vezes apenas).
Para estes novos testes duas réplicas foram feitas. Os resultados mostraram que quanto menor o número de
interrupções do teste para se medir o desgaste da ferramenta, menor foi sua vida. Mais tarde, dando continuidade às
investigações, decidiu-se fazer o mesmo tipo de testes desta vez com material diferente. Escolheu-se um aço ABNT
1045 que foi usinado a seco e com fluido de corte aplicado na forma convencional, investigando a influência do
número de paradas programadas para se medir o desgaste. As condições de corte foram escolhidas com objetivo de
acelerar o desgaste encurtando os testes e economizando material. Para esta nova bateria de testes foram utilizados as
mesmas ferramentas e como condições de corte uma velocidade de corte de 300 m/min, um avanço de 0,2 mm/rot e
uma profundidade de corte de 2,0 mm. Os resultados que se seguiram confirmaram a tendência encontrada nos
primeiros experimentos, ou seja, a tendência de aumento na vida da ferramenta com maiores números de paradas.
Palavras-chave: insertos intercambiáveis, torneamento, vida da ferramenta, desgaste
1. INTRODUÇÃO
O desgaste da ferramenta de corte pode ser considerado, segundo definição da norma ISO 3685 (1993), como "uma
mudança na sua forma original durante o corte, resultando em perda gradual de material". Pode-se observar que os
desgastes mais comuns são de flanco, cratera e de entalhe (Machado, et al., 2009 e Diniz, et al., 2001).
Com relação à vida de uma ferramenta, Kalpakjian (1995) define como o tempo em que ela trabalha efetivamente,
sem perder a capacidade de corte, dentro de um critério de tempo previamente estabelecido. Em outras palavras, a
ferramenta trabalhando em condições normais de corte é usada até que o seu desgaste, previamente fixado, seja tal que
exija a sua substituição. Seguindo as explicações do autor supracitado é possível averiguar que uma ferramenta deve ser
substituída quando forem observados os seguintes fatores: valores elevados de desgaste podendo levar à quebra da
ferramenta; temperaturas excessivas atingidas pela ferramenta durante o processo de corte; tolerâncias dimensionais
fora da faixa de controle; acabamento superficial fora da faixa de controle; componentes da força de usinagem
aumentam excessivamente. Além disso, dos fatores aqui citados, outros também podem definir a fixação de
determinado grau de desgaste. A título de exemplificação cita-se o fator econômico.
Ainda em relação ao conceito de vida da ferramenta, observa-se que Ferraresi (1977) faz comentário semelhante à
de Kalpakjian (1995). Assim, pode-se deduzir que o tempo de trabalho efetivo de uma ferramenta de corte, onde peças
são produzidas dentro de padrões de qualidade previamente estipulados, é que vai determinar o seu fim da vida. Além
disso, a forma como a ferramenta é manipulada também pode interferir em sua vida.
A norma ISO 3685 (1993) determina ainda, os parâmetros de medida de desgaste e os critérios de fim de vida das
ferramentas monocortantes, para testes de usinabilidade. Com relação ao desgaste de flanco no torneamento a norma
estabelece VBBmáx = 0,6 mm como critério de fim de vida.
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São vários os fatores que influenciam a vida de uma ferramenta de corte. As condições de corte são evidentemente
fatores influentes fortes, pois quando se combina parâmetros que causam a maior retirada de material, a ferramenta
tende a desgastar mais rapidamente. Esses parâmetros principais são: a velocidade de corte, o avanço e a profundidade
de corte. Além desses, são também fatores importantes: a geometria e o material da ferramenta de corte; a resistência, a
dureza, a ductilidade, a microestrutura e outras variáveis do material da peça; o uso de fluido de corte, suas
características, a vazão e o modo de aplicação; o processo de usinagem e as características da máquina-ferramenta;
entre outros.
Um dos questionamentos que se faz em relação às ferramentas de metal duro diz respeito à capacidade de
suportarem as altas temperaturas do processo de corte, principalmente em cortes longos. Como na zona de corte
normalmente desenvolvem elevadas temperaturas (podendo atingir 1000°C ou superiores), o uso de refrigerantes se
torna necessário para que seja atingida uma vida razoável das pastilhas (Marcondes, 2008).
Um dos pontos muito questionado pelos autores deste trabalho e pouco explorado na literatura científica se refere às
interrupções do processo de corte durante o uso da ferramenta. Haverá influência deste fator na vida de uma ferramenta
de corte? As ferramentas de corte apresentarão vidas distintas se o corte for contínuo, sem interrupções, quando
comparado com um corte com várias interrupções ao longo da vida da ferramenta, seja para trocar a peça de trabalho,
seja para inspecionar o estado de afiação da ferramenta, ou por qualquer outra razão? Em outras palavras, haverá
alteração na vida da ferramenta ao se variar o número de paradas ou de interrupções do corte?
Os testes desenvolvidos neste trabalho objetivaram responder a esta pergunta. Estudou-se o efeito do número de
interrupções do teste de vida da ferramenta para medições de desgastes na vida da ferramenta de corte, no processo de
torneamento de aços.
2. METODOLOGIA
Os experimentos desta pesquisa foram divididos em duas etapas. A primeira foi realizada, durante o trabalho de
mestrado de Pereira (2009), quando na análise de seus resultados as discussões que objetivaram este trabalho vieram a
tona. Nesta etapa foram realizados 42 testes de vida de ferramenta, realizados na mesma condição de corte. O principal
objetivo destes testes era outro. Pretendia-se determinar se testes realizados em uma aresta de corte de um inserto (ou
pastilha) quadrado com 8 arestas influenciavam na vida da ferramenta tomada em outra aresta do mesmo inserto. A
segunda etapa são testes desenvolvidos exclusivamente para elucidar as questões levantadas na primeira etapa, isto é,
averiguar se a variação do número de passes antes de interromper o teste para medição de desgaste influenciava os
resultados de vida da ferramenta.
2.1. Testes da Primeira Etapa
Nos testes da primeira etapa de experimentos foram utilizados como corpos de prova barras de seção circular de aço
microligado DIN 38MnSiVS5, de dureza média 256 HV com 450 mm de comprimento (L) e 100 mm de diâmetro,
fabricado pela Gerdau S.A.
Foi planejada a interrupção do teste de usinagem para se fazer a medição do desgaste no momento em que o teste
atingisse uma determinada quantidade de passes pré-fixada. Esta quantidade de passes foi calculada tomando-se por
base os resultados de pré-testes. Em 42 testes de vida da ferramenta na mesma condição de corte verificou-se que a
média de passes que uma aresta conseguiu completar até chegar ao seu fim de vida foi 11 passes e ao final de cada
passe o desgaste era medido, ou seja, durante a realização dos testes da primeira etapa interrompeu-se a usinagem, em
média, 11 vezes para medição do desgaste e o valor de vida médio da ferramenta encontrado foi de 18,25 minutos
(1095,0 segundos).
Após esses 42 testes realizados, resolveu-se estudar este tema, influencia do número de interrupções na vida da
ferramenta, onde este número foi variado. O número de paradas foi calculado dividindo-se o tempo médio de vida das
arestas obtido nos testes da primeira etapa (18,25 min.) pela quantidade de paradas que se pretendia fazer (2, 3 e 5
paradas), admitindo-se previamente que a vida esperada seria aproximadamente a mesma (ou seja, não haveria
influência do número de paradas). O resultado dessa divisão informa o momento (tempo) em que o teste deveria ser
interrompido para se fazer a medição do desgaste. A sistematização dos testes da primeira etapa pode ser visualizada na
Tab. (1).
Tabela 1. Programação dos testes da primeira etapa de experimentos
Teste
1
2
3
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Programação dos Testes
Número de paradas programadas
Cálculo do tempo de corte para
determinar a parada
5
18,25/5 = 3,65 min. (219,0 s)
3
18,25/3 = 6,08 min. (364,8 s)
2
18,25/2 = 9,12 min. (547,2 s)
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Estes testes foram realizados com três réplicas, (considerando os testes originais uma delas), a fim de conferir
confiabilidade estatística, utilizando as seguintes condições de corte: corte a seco, velocidade de corte vc = 250 m/min.,
avanço f = 0,2 mm/volta e a profundidade de corte ap = 2,0 mm, mesma condição utilizada nos 42 testes iniciais.
Com base na norma ISO 3685 (1993) estabeleceram-se os seguintes critérios de fim de vida, observando-se, através de
pré-testes, qual deles prevaleceria:
a) VBB= 0,3 mm; (desgaste de flanco médio);
b) VBBmáx= 0,6 mm; (desgaste de flanco máximo);
c) KT= 0,06 + 0,3 f; (desgaste de cratera);
d) VBN e VBC=1,0 mm; (desgaste de ponta);
Na realização dos pré-testes foi possível observar que prevaleceu o desgaste de flanco máximo, com tendência a se
acentuar mais perto da ponta da aresta. O critério de desgaste adotado para as duas etapas dos testes foi VBBmáx = 0,6
mm. Nestes testes, o critério foi atingido ou ultrapassado em todos os testes, e a vida da ferramenta sempre foi
interpolada, para comparação de resultados.
A análise dos dados obtidos foi feita utilizando-se o software Statistica 7.0, através da ferramenta diferença entre
médias, com uma confiabilidade estatística de 95% e com uma significância α = 0,05. Resultados destes testes da
primeira etapa já foram publicados em outra oportunidade (PEREIRA, et al., 2011).
2.2. Testes da Segunda Etapa
Estes testes da segunda etapa foram motivados pela necessidade de ampliar os estudos do tema, e tentar explicar
melhor os resultados da primeira etapa. Nesta segunda etapa dos experimentos foram utilizadas barras de sessão circular
do aço ABNT 1045, de dureza média 250 HV, com 450 mm de comprimento (L) e 128 mm de diâmetro. Este material
foi usinado a seco e depois com fluido de corte emulsionável de base mineral, Carecut S100 fabricado pela Castrol, na
concentração de 3%, aplicado na forma convencional, numa vazão de 5 L/min.
Para investigar a influência do número de paradas na vida da ferramenta de metal duro, foram feitos novos prétestes a fim de estabelecer as condições de corte ideais, para este novo material. Essas condições deveriam ser severas o
suficiente para promover o desenvolvimento do desgaste, mas não tão severas a ponto de provocar perda da ferramenta
de corte por falhas catastróficas.
Os testes foram executados, variando-se o número de paradas conforme o tempo encontrado no pré-teste com a
velocidade de 300 m/min, um avanço de 0,2 mm/rot e uma profundidade de corte de 2,0 mm. Como o tempo de vida
médio da ferramenta encontrado nos pré-testes foi de 236 segundos, programou-se primeiramente fazer dez interrupções
do teste, ou seja, uma interrupção a cada tempo de corte de 24 segundos (calculado dividindo-se o tempo médio de vida
por dez). Na sequência, o tempo de usinagem foi dividido em oito (8 interrupções), depois cinco interrupções, depois
três, depois duas e finalmente sem interrupção alguma, ou seja, um tempo de corte de 236 segundos ininterruptos. Três
réplicas (considerando o primeiro teste como uma das réplicas) foram realizadas para cada teste. Por fim, foram
realizadas as repetições dos testes já feitos a seco, agora com a utilização do fluido de corte em forma de jorro, para
analisar a influencia destes na vida das ferramentas. Nestes testes, ao invés de se considerar a vida da ferramenta para
um critério de fim de vida definido pela Norma ISO 3685 (1993), utilizou-se o desgaste ao final do tempo de corte fixo
de 236 segundos.
A sistematização dos testes da segunda etapa pode ser visualizada na Tab. (2).
Tabela 2. Programação dos testes da segunda etapa de experimentos
Teste
1
2
3
4
5
6
Programação dos Testes
Número de paradas programadas
Cálculo do tempo de corte para
determinar a parada
10
236/10 = 24 s
8
236/8 = 30 s
5
236/5 = 47 s
3
236/3 = 79 s
2
236/2 = 118 s
1
236 s
Os ensaios de torneamento da primeira e segunda etapa dos experimentos foram realizados em um torno Romi
CNC modelo Multiplic 35D, fabricado pelas indústrias Romi S.A., com 11Kw de potência, rotação variável de eixo de
3 a 3.000 rpm, equipado com comando numérico GE FANUC Series 21i - TB.
As ferramentas utilizadas em ambas as etapas foram insertos quadrados de metal duro SNMG 120404-PM 4235
com oito arestas de corte, ISO P35 revestidas com TiCN/Al2O3/TiN, com quebra-cavacos integrados fabricadas pela
Sandvik Coromant. O suporte para as ferramentas utilizado possui a designação ISO, DSBNR 2525 M12.
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Para a análise das imagens e monitoramento do desgaste utilizou-se um Estéreo Microscópio SZ6145TR - Olympus
e analisador de imagens Image Pro-Express, sistema de captura e análise de imagens para medição do desgaste na
ferramenta.
O desgaste foi medido no final dos tempos estipulados pela Tabela 1 para os testes da primeira etapa e Tabela 2 nos
testes da segunda etapa.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Testes da Primeira Etapa
São apresentados neste item os resultados de vida obtidos com os testes desenvolvidos com diferentes números de
paradas para medição do desgaste da primeira etapa. Ressalta-se, novamente, que o objetivo do trabalho é verificar se a
vida da ferramenta sofre influência quando se varia o número de paradas para medir o desgaste.
Nos testes da primeira etapa, notou-se que existe uma tendência clara à diminuição do tempo médio de vida da
ferramenta à medida que diminui a quantidade de vezes que se interrompe a usinagem para medição do desgaste. Esta
tendência pode ser visualizada na Fig. (1).
Figura 1. Vida média da ferramenta pelo número de paradas para medição do desgaste – Primeira etapa
(aço microligado DIN 38MnSiVS5, a seco, vc = 250 m/min, f = 0,2 mm/volta e ap = 2,0 mm)
Durante a operação de usinagem, em que a ferramenta produz cavacos, há a geração de calor, que vai acumulando
na ferramenta. A cada interrupção do corte, cessa a geração de calor e aumenta a dissipação deste calor. Esta dissipação
do calor enquanto a ferramenta está inativa é proporcional ao tempo sem corte. Este tempo é significativamente maior
quando a interrupção do corte envolve medição do desgaste.
Em seguida foram feitas comparações embasadas por métodos estatísticos das médias das vidas da ferramenta entre
as quantidades de paradas. Os resultados obtidos dessas comparações, feitas utilizando-se o software Statistica 7.0 com
uma confiabilidade de 95% e um nível de significância de 5%, são mostrados na Tab. (3).
Tabela 3. Comparação entre as médias de vidas obtidas em função do número de paradas para medição de
desgaste
Comparação entre Nº de Paradas
Média de 11 x 5 paradas
Média de 11 x 3 paradas
Média de 11 x 2 paradas
5 x 3 paradas
5 x 2 paradas
3 x 2 paradas
p-value
0,2765
0,0663
0,0118
0,1618
0,0111
0,1491
Observando-se os valores dos p-values da Tab. (3), nota-se que houve influência na vida da ferramenta apenas nos
casos em que foi comparada a média de 11 paradas com 2 paradas (11x2) e 5 paradas com 2 (5x2), pois os valores de p
para estas comparações estão abaixo do nível de significância de 0,05.
Quando se reduz o número de paradas para realizar a medição do desgaste espera-se um aumento na temperatura
média da ferramenta devido a um menor tempo de refrigeração (dissipação). Ao analisar os resultados apresentados na
Tab. (3) e Fig. (1), certifica-se que este tempo de dissipação é importante e o efeito da temperatura é cada vez mais
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crítico, à medida que o número de paradas vai diminuindo. Quando se faz apenas 2 paradas para se medir o desgaste,
observam-se as condições mais críticas. Tanto que as comparações 11x2 e 5x2 apresentaram os p-values como sendo os
mais influentes na vida da ferramenta.
3.2. Testes da Segunda Etapa
Os resultados dos testes da segunda etapa mostram que, mesmo com os grandes valores de desvio padrão dos testes
a seco, ocorre uma diferença significativa no desgaste, principalmente nos testes com menor número de paradas.
Os desvios padrão elevados nos testes a seco são provenientes da instabilidade dos testes, visto que as condições de
corte eram severas e sem o fluido para resfriar e lubrificar não foi possível estabilizar o corte.
Estes resultados podem ser visualizados na Fig. (2).
Figura 2. Vida média da ferramenta pelo número de paradas para medição do desgaste
Os resultados dos testes a seco se mostraram compatíveis com os que foram encontrados na primeira etapa, visto
que quanto menor o número de paradas, menor foi a vida da ferramenta, ou seja, maior o desgaste encontrado.
Observa-se, entretanto, que o fluido de corte praticamente elimina esta diferença nos resultados. Isto porque o
fluido de corte age como refrigerante, reduzindo o calor médio da ferramenta de corte, independente do número de
interrupções que se faça durante o teste.
O desenvolvimento deste trabalho e a análise dos seus resultados indicam que o número de paradas para se medir
o desgaste da ferramenta é uma variável importante no desenvolvimento de testes de vida de ferramentas no
torneamento do ao ABNT 1045 e do aço microligado DIN 38MnSiVS5, sem aplicação do fluido de corte, isto é, a seco.
Quanto maior o número de paradas menor é o desgaste e, portanto, maior a vida apresentada pela ferramenta.
A aplicação do fluido de corte tende a minimizar ou eliminar esta influência. Esta constatação implica em
relacionar os resultados com o efeito da temperatura de corte, que é mais severo quanto maior o tempo de usinagem sem
interrupção para se medir o desgaste.
4. CONCLUSÕES
Nos testes da primeira etapa, notou-se que existe uma tendência clara à diminuição do tempo médio de vida da
ferramenta à medida que diminui a quantidade de vezes que se interrompe a usinagem para medição do desgaste.
Na segunda etapa, os resultados dos testes a seco se mostraram compatíveis com os que foram encontrados na
primeira etapa, visto que quanto menor o número de paradas, menor foi a vida da ferramenta, ou seja, maior o desgaste
encontrado.
O número de paradas para se medir o desgaste da ferramenta é uma variável importante no desenvolvimento de
testes de vida de ferramentas no torneamento do ao ABNT 1045 e do aço microligado DIN 38MnSiVS5, sem aplicação
do fluido de corte.
Quanto maior o número de paradas menor é o desgaste e, portanto, maior a vida apresentada pela ferramenta.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Capes, a CNPq, à FAPEMIG pelo apoio financeiro. Também são gratos a Gerdau S.A. por
fornecer o material utilizado nos testes.
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6. REFERÊNCIAS
Diniz, A. E., Marcondes, F. C., Coppini, N. L., “Tecnologia de Usinagem dos Materiais”, 3º ed., São Paulo: MM
Editora, 2001, 244p.
Ferraresi, D.,1977, “Fundamentos da Usinagem dos Metais”, Editora Edgard Blücher Ltda., São Paulo, 751p.
ISO Standard 3685, 2nd Edition, 1993, “Tool-life testing with single-point turning tools”.
Kalpakjian, S. 1995. Manufacturing Engineering and Technology. 3ª ed., Reading: Addison-Wesley Publishing
Company, 1296p.
Machado, A.R., Abrão, A.M., Coelho, R.T. and DA Silva, M.B., 2009, “Teoria da Usinagem dos Materiais”, Vol.1, Ed.
Edgard Blücher, São Paulo, Brasil, 371p.
Marcondes, F. C., 2008. “O Metal Duro Passado a Limpo”. O Mundo da Usinagem, n.44, 2ª edição.
Pereira, J.A.. 2009, “Análise do Efeito da Sequência de Arestas e do Número de Interrupções para Medir Desgaste na
Vida da Ferramenta no Torneamento”, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Engenharia
Mecânica, FEMEC – UFU, Uberlândia – MG, 125 p.
Pereira, J.A.; Retes Jr, S.; Machado, A.R.; Barrozo, M.A.S., 2011, “Efeito do Número de Interrupções para Medir o
Desgaste na Vida da Ferramenta no Torneamento”, VI Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, 11 a 15
de Abril de 2011, Caxias do Sul - RS, Anais em CD ROM, Artigo: COF11-0113, 7 pgs.
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April 15 to 19 , 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
EFFECT OF THE NUMBER OF INTERRUPTIONS OF THE TEST FOR
TOOL WEAR MEASUREMENT DURING TOOL LIFE TESTS IN
TURNING
Janaína Aparecida Pereira, [email protected]
Sérgio Abrão Retes Júnior, [email protected]
Álisson Rocha Machado, [email protected]
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Federal University of Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem - Campus
Santa Mônica - 38400-100 - Uberlândia – MG – Brasil
Abstract. When performing tool life tests using square indexable carbide inserts (ISO P35 coated TiCN/Al2O3/TiN) it
was observed that the number of interruptions to measure tool wear during dry turning of a microalloyed steel (DIN
38MnSiVS5), had significant influence on the results. In these experiments the cutting conditions were fixed (cutting
speed vc = 250 m / min, feed rate f = 0.2 mm / rev and depth of cut doc = 2.0 mm) and average tool life found after 42
tests was 18,25 min. In these 42 tests, the average number of stops, for tool wear measurements was 11 times. After
these results, other tests were planned using the same cutting conditions, with less numbers of interruptions (5, 3 and 2
times only). Each test had three replicas. The results showed that the lesser the number of interruptions for tool wear
measurement, the shorter was the tool lives. Later, continuing the investigations, it was decided to do the same type of
tests, this turn with different work material. An AISI 1045 steel was machined dry and with application of flood
cooling. Pre tests were carried out in order to determine the cutting conditions which could accelerate tool wear to
result in short tests that could save work material. For this new series of tests the same carbide tools were used with
the following cutting conditions: cutting speed of 300 m/min, feed rate of 0.2 mm / rev and a depth of cut of 2.0 mm.
The results followed the tendency found in first experiments, that is, the tool life increased when increasing the number
of stops.
Keywords: tool life tests, tool wear monitoring, turning process, indexable carbide tools
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