Tensão residual

Foram utilizadas nesta etapa, as condições propostas na metodologia para a análise das tensões residuais induzidas nas superfícies do FFBAC (ver a tabela 7). A figura 46 mostra os resultados das análises nas superfícies usinadas.

Figura 46. Valores de tensão residual nas superfícies usinadas.

(a) (b)

(c) (d)

As superfícies caracterizadas por efeitos térmicos apresentam tensões residuais trativas, enquanto que as superfícies com predominância dos efeitos mecânicos apresentam tensões residuais compressivas (ARUNACHALAN, MANNAN e SPOWAGE, 2004). Após a usinagem, os resultados apresentados neste trabalho após a usinagem evidenciaram o predomínio do efeito mecânico sobre a superfície, uma vez que as tensões residuais tornaram-se mais compressivas quando comparados com os valores de tensão residual das superfícies antes da usinagem.

A figura 46 mostra que as orientações de medição para uma mesma condição apresentaram reduzida dispersão dos resultados considerando uma microestrutura complexa como a do FFBAC. Como, por exemplo, para a combinação da classe GC1010, LN2 e aresta nova (figura 46d), considerando após a usinagem, a média dos

valores de tensão residual foi de 273 MPa (compressivo) com desvio padrão de ± 34 MPa. Da mesma forma, a condição com aresta desgastada resultou em uma média de 549 MPa e desvio padrão de ± 45 MPa. O processo de fresamento permite a adoção de diferentes estratégias de usinagem, o que pode impactar nos aspectos superficiais do material usinado. A estratégia adotada de espiral para o faceamento, além de reduzir o tempo de usinagem, promove um comportamento aleatório de orientação de estrias na superfície. A baixa dispersão dos resultados de tensão residual nas várias orientações é atribuída principalmente a estratégia de usinagem. Por outro lado, esse aspecto é diferente quando utilizado o processo de torneamento, uma vez que esse possui uma direção e sentido preferencial do movimento de avanço. Leadebal Jr. et al. (2018) verificaram uma considerável diferença entre os valores de tensão residual medidos nas direções longitudinal e circunferencial na superfície do corpo de prova do aço D6 (57 HRC) usinado por torneamento. Assim, devido à dispersão associada à microestrutura heterogênea do material usinado, considerou- se que os valores para as diferentes orientações foram repetições de uma mesma condição, permitindo uma análise estatística dos resultados.

Para verificar se as variáveis de lubrirrefrigeração e de desgaste de flanco nas arestas apresentaram influência significativa nos resultados, um planejamento fatorial foi realizado com esses resultados, utilizando um intervalo de confiança de 90%, conforme mostrado na figura 47.

Figura 47. Diagramas de pareto mostrando a influência dos fatores nos ensaios de tensão residual utilizando um intervalo de confiança de 90%.

(a) (b)

De acordo com a figura 47, o único fator significativo em comum para as duas classes de ferramenta foi a condição da aresta. Contudo, identifica-se que em todas as combinações de material de ferramenta e lubrirrefrigeração, sempre a aresta desgastada promoveu maiores valores de tensão residual de compressão quando comparado com as arestas na condição nova. Esse efeito pode ser melhor entendido ao observar a figura 48, a qual mostra a média dos valores de tensão residual induzidas em cada condição da aresta.

Figura 48. Efeitos principais para a variação da tensão residual compressiva.

A figura 48a, referente à classe GC1030, mostra uma considerável variação nas médias de tensão residual compressiva induzidas nas superfícies pelas arestas nas condições nova e desgastada. A aresta com a condição nova promoveu uma tensão residual compressiva média de aproximadamente 240 MPa, enquanto a aresta desgastada induziu uma média de tensão residual compressiva de 390 MPa. Da mesma forma, as superfícies usinadas com a classe GC1010 também apresentaram uma expressiva variação entre as médias de tensão residual nas diferentes condições de aresta, como mostrado na figura 48b. Dessa vez, a aresta desgastada induziu uma média de tensões residuais compressivas 2,3 vezes maior do que a média referente a aresta nova.

Esse resultado pode ser explicado pela mudança na microgeometria da aresta ocasionada pelo desgaste de flanco. Na figura 49a, é possível perceber que as condições topográficas da aresta mudam em função do desgaste de flanco. Uma característica do fresamento é a variação na espessura do cavaco durante o contato ferramenta-peça. Quando utilizado o corte concordante com uma aresta nova, o processo de formação de cavaco é iniciado pela espessura máxima e diminui gradativamente até zero com a rotação da ferramenta. Contudo, durante a formação do cavaco na condição da aresta desgastada, à medida que sua espessura é reduzida em função da variação do ângulo de rotação da ferramenta, a aresta não consegue mais cisalha-lo, promovendo o esmagamento. Uma evidência para este fato são as adesões observadas nas arestas desgastadas, tendo essas um aspecto de compressão em lamelas do material usinado (ver a figura 45). Na figura 49b, é mostrado uma representação do movimento das arestas no corpo de prova, considerando os parâmetros de usinagem utilizados. Nessa destaca-se a forma do cavaco gerada, sendo possível notar a variação da espessura ao longo do processo de formação.

Figura 49. (a) diferentes condições de aresta; (b) representação do movimento da aresta, destacando a forma do cavaco.

(a) (b)

Uma vez que as tensões residuais compressivas são decorrentes de efeitos mecânicos, as maiores deformações do material usinado resultam em tensões residuais compressivas com maior magnitude. De acordo com Denkena e Biermann (2014), a geometria da aresta influencia diretamente no cisalhamento e na deformação do material usinado, sendo um fator crítico na indução de tensões residuais. Shen et al. (2018) avaliaram a indução de tensões residuais com diferentes microgeometrias de arestas (aresta com chanfro, aresta com raio e aresta sem raio). Os experimentos mostraram que o aumento da magnitude das tensões residuais compressivas estava relacionado diretamente com a área de contato entre a aresta e o material usinado. Hua et al. (2005) analisaram a indução de tensões residuais em superfícies utilizando arestas com diferentes raios de aresta (raio entre superfície de saída e superfície de folga). Os resultados mostraram um aumento da tensão residual compressiva com o aumento do raio de aresta, ou seja, maior área de contato entre a aresta e o material. Contudo, os efeitos causados pelas diferentes condições de aresta no material usinado serão discutidos no próximo tópico.

Nos resultados mostrados na figura 47, considerando o intervalo de confiança utilizado, é percebido que o efeito da lubrirrefrigeração não foi significativo para as classes de ferramenta. Umbrello, Micari e Jawahir (2012), obtiveram resultados

semelhantes no torneamento do aço AISI 52100 com 61 HRC de dureza (classe B). Os autores notaram que não houve diferença significativa para as tensões residuais induzidas na condição a seco e com LN2. Contudo, é percebido que o fator relativo a

interação desse com a condição da aresta (fator AB) foi significativo para a classe GC1030. Para melhor entender esse aspecto, foi elaborada a figura 50, a qual mostra a interação dos fatores.

Figura 50. Interação entre os fatores do modo de lubrirrefrigeração e condição da aresta.

Na figura 50 é visualizado que a aplicação do LN2 promove diferentes efeitos

dependendo da condição da aresta. A condição com aresta nova e emulsão promoveu maiores valores de tensão residual compressiva quando comparada a condição com LN2. Uma explicação para este resultado é a mudança nas propriedades do material

usinado em função das baixas temperaturas de processo. Como mencionado no item 4.2.1, a faixa de temperatura no corpo de prova usinado durante a usinagem com LN2

foi de -20°C a -30°C. A redução de temperatura no processo promove o aumento da rigidez do material, a qual, por consequência, o torna mais frágil. Em decorrência disso, o processo de formação do cavaco apresenta uma menor deformação do material até o corte, aumentando o cisalhamento do material da superfície. De acordo com Kaynak et al. (2014) e Biček et al. (2012), a utilização de fluidos criogênicos na usinagem reduz fortemente a temperatura na região de corte, minimizando deformações e fluxo lateral de cavaco. Ainda segundo os autores, isso tem por consequência, a indução de menores valores de tensão residual compressiva. Por outro lado, é visto que o modo de lubrirrefrigeração com emulsão promoveu maiores

valores de tensões residuais compressivas, em resposta da maior deformação ocorrida durante a formação do cavaco. Neste sentido, os resultados mencionados nesta pesquisa corroboram com os resultados apresentados pela literatura.

Já em relação às superfícies usinadas com aresta desgastada, notou-se o comportamento inverso: a aplicação de LN2 promoveu maiores valores de tensões

residuais compressivas. A hipótese para explicar a menor tensão residual compressiva no caso da utilização da aresta desgastada e emulsão é o efeito térmico. Como mencionado no início do item 4.2.1, a elevação da temperatura tende a tornar as tensões residuais trativas. Portanto, com maiores valores de desgaste de flanco nas arestas, espera-se maiores valores de temperatura de corte, e consequentemente, menores valores de tensões residuais de compressão. Por outro lado, no modo de lubrirrefrigeração com LN2, os valores de temperatura de processo

são menores, permanecendo apenas o efeito da deformação no material influenciado diretamente pela aresta desgastada.

Comparando os resultados de tensão residual desse trabalho com resultados relacionados dos processos de tratamentos superficiais, é visto que foram equivalentes ou até superiores. Como por exemplo, Lesyk et al. (2015) e Shaw et al. (2003) utilizando métodos direcionados a tratamentos de superfície (endurecimento de superfície a laser, tratamento superficial por impacto a laser e jateamento por partículas sólidas) verificaram tensões residuais superficiais de 205 MPa a 409 MPa compressivas. Sabendo que esses processos são comumente utilizados na indústria para o aumento da resistência à fadiga, os resultados obtidos neste trabalho são muito interessantes, principalmente pela possibilidade de um componente mecânico não necessitar de tratamentos térmicos posteriores à usinagem.

A limitação do método para medição de tensões residuais utilizado neste trabalho não permitiu a verificação das tensões residuais na região da subsuperfície do material usinado. A análise de tensões na subsuperfície poderia apresentar valores ainda maiores de tensão residual compressiva. Como exemplo, os resultados obtidos por Shaw et al. (2003), no qual na superfície obteve tensões residuais compressivas de 350 MPa, enquanto por volta de 10 µm abaixo da superfície, as tensões residuais de compressão superiores a 1000 MPa.

Baseado nessas informações, é possível afirmar que, do ponto de vista da aplicação em condições de carregamento cíclico, todas as superfícies usinadas de FFBAC por fresamento apresentaram resultados adequados quanto aos valores de tensões residuais, uma vez que foram de caráter compressivo. Contudo, a combinação da aresta desgastada com LN2 foi a opção com melhor desempenho. Isto

mostra que a utilização do critério de fim de vida adotado nesta pesquisa é adequado do ponto de vista das tensões residuais. Discussões sobre os efeitos das condições de usinagem em relação às alterações ocorridas na superfície do material usinado serão feitas no próximo tópico.