A escolha adequada do material da ferramenta, dos parâmetros de usinagem e da estratégia de usinagem deve ser no sentido de otimizar o tempo de usinagem da aresta de corte. E, consequentemente, minimizar os custos de produção, além de evitar perdas com ociosidade da máquina-ferramenta durante a troca de arestas de corte. No entanto, tão importante quanto a vida da ferramenta são as características superficiais do componente mecânico. A integridade adequada na superficie do componente mecânico usinado é um fator de indicação para a sua aplicabilidade, uma vez que esse termo pode ser definido como sendo a junção de todos os elementos que determinam as condições que existem em uma superfície e subsuperfície (PEREIRA, HASSUI e MAGRI, 2014; FARIAS, 2009; GRIFFITHS, 2001).
Diferentes exigências de acabamento superficial são requeridas para as diversas aplicações dos materiais usinados. Como exemplo, as características superficiais de um mancal de deslizamento precisam ser diferentes das requeridas para um disco de freio, uma vez que possuem funcões distintas. Os processos de usinagem possuem influência direta nas características superficiais do componente mecânico, sendo essas características dependentes da interação entre a energia mecânica e a térmica atuantes no processo. A condição final de uma superfície usinada é resultante de vários processos que envolvem deformações plásticas, cisalhamento, recuperação elástica, calor, vibrações, tensões residuais e reações químicas. Portanto, entender a integridade superficial gerada pelos processos de usinagem é essencial para um controle adequado dessa variável em peças manufaturadas (ROSARIO, 2006; MACHADO, 2011). A figura 13 mostra alterações
passíveis de ocorrer na superfície e na subsuperfície usinada em decorrência dos processos de usinagem.
Figura 13. Classificação da Integridade Superficial.
Fonte: Adaptado de Machado et al. (2011).
Dentre as alterações que ocorrem no material após o processo de manufatura, um dos pontos mais críticos são as tensões residuais, conforme destacado na figura 13. Essas são alterações na superfície e subsuperfície causadas por fatores termo- mecânicos de forma intencional ou não. As tensões residuais permanecem no componente mecânico mesmo após todas as forças externas ou gradientes de temperatura terem sido removidos. Essas influenciam fortemente no aumento ou na diminuição da resistência superficial do componente (resistência à fadiga, resistência à corrosão e tenacidade). Com relação a sua natureza, pode ser de caráter trativa ou compressiva.
Para os processos de usinagem, a retirada de material da superfície do componente gera uma camada superficial nesta com características diferentes daquelas existentes no pré-processamento, atingindo também níveis subsuperficiais. Vários são os efeitos causados no componente mecânico pelas tensões residuais geradas, como pode ser observado na figura 14. Saber identificar o tipo da tensão residual gerada, assim como controlar esse aspecto é muito importante no direcionamento correto dos componentes mecânicos às diferentes aplicações (MACHADO et al., 2011; MATSUMOTO et al, 1986; LU, 1996; ALMEN e BLACK, 1963; BRINKSMEIER et al., 1982).
Figura 14. Efeitos das tensões residuais.
Fonte: Adaptado de Brinksmeier et al. (1982).
O estado de tensões residuais é auto-equilibrante, logo, a resultante de todas as forças e momentos produzidos por essas somam-se zero. Qualquer pertubação a esse estado de tensões, seja na aplicação de novas tensões ou mudança do estado pela variação de temperatura, resultará em uma nova distribuição das tensões, a qual se equilibrará novamente. Durante o processo de usinagem, a deformação plástica, o aquecimento heterogêneo do material da peça e as mudanças microestruturais provocam diferentes respostas da superfície, resultando em uma tensão residual com características distintas (SOARES, 1998; STIPKOVIC et al., 2017). A deformação plástica resultante das componentes da força de usinagem paralelas e perpendiculares à superfície usinada produzem tensões residuais compressivas, enquanto que a deformação plástica proveniente da energia térmica produzida durante o processo de cisalhamento provocará tensões residuais trativas. No processo de fresamento, as alternâncias entre as fases ativa e inativa não permitem que a temperatura influencie significamente na geração de tensões residuais trativas, o que é considerado uma vantagem (ARUNACHALAN, MANNAN e SPOWAGE, 2004; BRINKSMEIER et al., 1982).
Não só o tipo de processo, mas outros fatores como os parâmetros de usinagem influenciam nas tensões residuais em superfícies de componentes mecânicos usinados. A variação desses parâmetros pode potencializar os efeitos termo-mecânicos, acentuando o surgimento de tensões residuais trativas ou compressivas, respectivamente. Para materiais com baixo índice de usinabilidade, não só os parâmetros, mas também a dureza, o estado de desgaste da ferramenta e
a microgeometria da aresta são parâmetros de influência nas tensões residuais (BRINKSMEIER et al., 1982; CHANDRASEKARAN et al, 2005).
A literatura classifica a tensão residual em três tipos, de acordo com o que ocorre no material: tipo I (macroscópica), tipo II (microscópica) e tipo III (submicroscópica). As tensões residuais do tipo I se estendem por vários grãos, está presente em materiais policristalinos e são provenientes de condições ou fontes mecânicas, térmicas ou químicas. As tensões residuais do tipo II ocorrem na escala microestrutural, e estão presentes em um grão ou numa fração dele e têm origem em deformações plásticas microscópicas. Já as tensões residuais do tipo III, são microlocalizadas e estendidas em pequenas porções interatômicas, dentro de uma pequena porção do grão. Esse tipo de tensão residual é proveniente de imperfeições na rede cristalina, principalmente devido às discordâncias. Para operações de usinagem e de conformação mecânica, as tensões residuais são do tipo I, envolvendo exatamente a camada superficial do material usinado e se estendendo por vários grãos (SOARES, 1998; SOUSA, 2012; CARVALHO FILHO, 2015).
Diferentes tratamentos superficiais são realizados para indução de tensões residuais em componentes manufaturados com o fim de modificar as propriedades visando as aplicações. Lesyk et al. (2015) utilizaram o Endurecimento de Superfície a Laser (ESL) e o Tratamento superficial por Impacto Ultrassônico (TIU) no aço AISI D2 com o fim de verificar os efeitos dos tratamentos em relação às tensões residuais. Análises utilizando difratometria de raio-x (DRX) mostraram que apesar dos métodos proporcionaram tensões residuais compressivas, a técnica TIU induziu maiores valores. Contudo, quando ambos os métodos foram aplicados à mesma superfície, o resultado teve uma maior expressividade. O método ESL e TIU geraram tensões residuais compressivas de 205 MPa e 376 MPa, respectivamente, enquanto os dois combinados apresentaram um resultado de 409 MPa. Shaw et al. (2003), estudaram os efeitos do jateamento de partículas na superfície de um aço SAE 5120. Resultados mostraram que a indução de tensões residuais compressivas na superfície e subsuperfície de componentes mecânicos impediram a nucleação e crescimento de eventuais trincas, além apresentar uma relação direta com o aumento da resistência à fadiga dos componentes. A aplicação do processo de jateamento resultou no aumento em até 76% na resistência à fadiga. Na superfície, as tensões residuais
compressivas induzidas pelo processo de jateamento mostraram valores em torno de 350 MPa.
A adição de processos a componentes usinados promove custos associados, resultando no maior preço do produto. Um modo de evitar isso é o controle na indução de tensões residuais com os próprios processos de usinagem, definindo parâmetros e condições que resultem em valores adequados. Como mencionado, tensões residuais compressivas são mais prováveis serem geradas por efeitos mecânicos, assim como a tensão residual trativa por efeitos térmicos. Por isso, o tipo de processo de usinagem e o controle de seus parâmetros são críticos em relação a definição das tensões residuais. Ghanem et al. (2002) compararam os efeitos dos processos de usinagem por fresamento e por eletroerosão em relação às tensões residuais produzidas na superfície de um corpo de prova do aço AISI D2. Valores medidos por difratometria de raio-x mostraram que o processo de eletroerosão provocou a indução de tensões residuais trativas na superfície do corpo de prova com valores de até 750 MPa, enquanto a superfície usinada por fresamento apresentou valores de tensão residual compressiva de até 300 MPa (no sentido paralelo à direção de avanço) e 200 MPa (no sentido perpendicular à direção de avanço).
Stipikovic et al. (2017) analisaram os valores de tensão residual do aço AISI 4140 (58 ± 2 HRC) após o processo de fresamento utilizando ferramentas com arestas de PCBN. Em todas as 20 combinações utilizando 5 valores de vc entre 98,1 e 351,1
m/min; 5 valores de fz entre 0,016 mm e 0,187 mm; 5 valores de ap entre 0,07 e 0,23
mm (ae não informado), as tensões compressivas foram predominantes, tendo seus
valores mensurados entre 500 e 1400 MPa. A figura 15 mostra uma representação da influência dos parâmetros em relação à tensão residual obtida nos ensaios. De acordo com a análise estatística, tanto o avanço por dente como a velocidade de corte foram os parâmetros que mais influenciaram os valores de tensão residual. Pela figura 15a, a combinação de velocidades de corte em torno de 350 m/min com os valores de avanço por dente em torno de 0,1 mm e ap fixado em 0,15 mm resultaram nos mais
altos valores de tensão residual compressiva, com valores de 1200 MPa. Um comportamento semelhante ocorreu na figura 15c, no qual os maiores valores de tensão residual foram encontrados na combinação do avanço por dente em torno de 0,1 mm a valores de profundidade axial de corte em torno de 0,22 mm (vc fixado em
Figura 15. Influência dos parâmetros de usinagem na tensão residual compressiva. a) fz x vc
com ap = 0,15 mm; b) ap x vc com fz = 10 mm; c) ap x fz com vc = 225 m/min.
Fonte: Adaptado de Stipikovic et al. (2017).
Leadebal Jr. et al. (2018) analisaram os efeitos do resfriamento criogênico (LN2) e da usinagem a seco no torneamento com corte contínuo no aço AISI D6 (57
HRC) utilizando ferramentas de PCBN (50% de CBN). Os parâmetros adotados (vc =
170 m/min; f = 0,1 mm e ap = 0,1 mm) promoveram valores de tensões residuais
compressivas, independente da condição de lubrirrefrigeração. Os valores de tensão residual compressiva ficaram por volta de 94 MPa na condição de usinagem a seco, 305 MPa utilizando LN2 aplicado na superfície de saída, 218 MPa utilizando LN2
aplicado na superfície de folga da ferramenta e 256 MPa para a condição do LN2
aplicado em ambas as superfícies. A figura 16 mostra a presença de uma fina camada deformada, o que torna compreensível o resultado obtido.
Figura 16. Imagens das superfícies usinadas e valores das tensões residuais. a) Usinagem a seco; b) Nitrogênio líquido aplicado na superfície de flanco; c) Nitrogênio líquido aplicado
na superfície de saída; d) nitrogênio líquido aplicado em ambas as superfícies.
Fonte: Adaptado de Leadebal Jr. et al. (2018).
Umbrello, Micari e Jawahir (2012) avaliaram os efeitos da refrigeração criogênica no processo de torneamento do aço AISI 52100 com dois valores de dureza (54 e 61 HRC) utilizando ferramentas de PCBN. Para os parâmetros de usinagem utilizados (vc = 75, 150, 250 m/min; f = 0,075 mm e ap não informado), a tensão residual
compressiva foi dominante em todos os casos. Como é possível observar na figura 17, nos testes 1, 2 e 3 (material da peça com valor de dureza de 61 HRC) foram obtidos valores de tensão compressiva maiores quando comparados aos testes 4 e 5 (menor valor de dureza). O aumento da velocidade de corte teve restrita influência nos valores de tensão residual e, diferente do que se esperava, a utilização do LN2 não
alterou significativamente os valores. Apesar disso, é interessante observar que os valores de tensão residual na usinagem a seco foram maiores que na utilização do LN2, sendo a hipótese dada pelos autores de que esse comportamento foi resultado
Figura 17. Valores das tensões residuais obtidas nos ensaios.
Fonte: Adaptado de Umbrello, Micari e Jawahir (2012).
Comparando os trabalhos de Stipikovic et al. (2017), Leadebal Jr. et al. (2018) e Umbrello, Micari e Jawahir (2012), percebe-se que a tensão residual compressiva foi dominante, mesmo na condição de torneamento com corte contínuo a seco, situação que teoricamente é mais favorável ao aparecimento de tensões residuais trativas (efeito térmico). Utilizando os processos de fresamento e de retificação, Chen, Jing e Li (2007) avaliaram a integridade superficial de materiais usinados do aço AISI D2 (60 HRC) com alta porcentagem de cromo (11-13%) utilizando ferramentas de metal duro revestidas com TiAlN. Os processos produziram efeitos distintos em relação à tensão residual, tendo o processo de fresamento induzido tensão residual compressiva, enquanto a retificação induziu tensão residual trativa. A hipótese apresentada pelos autores para explicar o resultado é que as altas temperaturas geradas durante a retificação fazem com que o efeito térmico se sobressaia ao efeito mecânico.
Devido aos efeitos termo-mecânicos promovidos pelos processos de usinagem, os materiais submetidos a estes têm sua superfície e subsuperficie alteradas. Estas alterações ocorrem não só nos valores de tensão residual, mas também na rugosidade e nos valores de microdureza (FIELD et al., 1972). Leadebal Jr. et al. (2018) mostraram que o aumento da tensão residual observado nas superfícies usinadas tem relação com as deformações ocorridas na camada superficial do material.
Alterações superficiais consequentes da usinagem foram notadas por Boing (2010) no processo de torneamento do FFBAC. O autor percebeu que a utilização de arestas no início de vida promoveu a acentuação do cisalhamento nos carbonetos, não sendo notadas deformações aparentes nessa matriz. Já a utilização da aresta desgastada promoveu a fragmentação dos carbonetos nas regiões da superfície e subsuperfície com uma profundidade aproximada de 10 µm. As arestas nessa condição possuem uma maior área de contato entre a superfície de folga com a superfície usinada, consequência da alteração topográfica nessas através do desgaste sofrido ao longo do processo de usinagem. Com relação ao material usinado, os carbonetos presentes nessa região foram fragmentados e reorganizados na região da superfície como se observa na figura 18b. Esse mesmo comportamento também foi observado por Boing (2016) no aço AISI D2 e Ren et al. (2001) em metais recobertos de revestimento duro com alto teor de cromo.
Figura 18. Alterações na superfície do FFBAC usinado ocasionadas pelo uso da ferramenta em diferentes condições. a) Aresta início de vida; b) Aresta no fim de vida
Fonte: Adaptado de Boing (2010).
Segundo Boing, Oliveira e Schroeter (2016), a fragmentação e reorganização dos carbonetos promovidos pelo processo de usinagem representa uma vantagem na aplicação do ferro fundido branco alto cromo. Os autores mencionam que a alteração dessa camada superficial promove modificações de propriedades mecânicas nessa região.
Comparando com as informações da literatura, do ponto de vista do fresamento do FFBAC, espera-se que o maior acesso à lubrirrefrigeração promovida
pelas interrupções características desse processo promova a indução de tensões residuais compressivas em maior magnitude nas superfícies usinadas quando comparado ao processo de torneamento. Como também, alterações de características mecânicas na superfície usinada são esperadas, apresentando diferenças a depender das condições do desgaste de flanco na aresta e dos modos de lubrirrefrigeração (efeito termo-mecanico). Portanto, é esperado que nos experimentos realizados neste trabalho sejam induzidas tensões residuais compressivas com magnitudes equivalentes a processos de tratamentos superficiais, de forma reduzir o número de processos de manufatura de um componente mecânico.
3 Metodologia
Este capítulo descreve a metodologia adotada para a realização dos ensaios e análises, detalhando todo o procedimento experimental, assim como os materiais e equipamentos utilizados. Para uma melhor compreensão, foi criado o fluxograma apresentado na figura 19.
Figura 19. Fluxograma da metodologia adotada no trabalho.
Conforme a figura 19, antes da realização dos ensaios, foram determinadas todas as condições iniciais, desde a determinação da máquina-ferramenta até a estratégia de usinagem mais adequada. Essas escolhas foram baseadas tanto nos recursos disponíveis como por informações da revisão bibliográfica realizada. A partir dessas definições, foram efetuados pré-testes com as ferramentas de metal duro na condição de lubrirrefrigeração a seco, com o fim de verificar a estabilidade do processo. Verificada a viabilidade do processo, foram realizados os ensaios preliminares com as combinações de ferramentas e modos de lubrirrefrigeração. Em seguida, análises na aresta foram realizadas por meio de diferentes técnicas de
microscopia. Os ensaios definitivos foram baseados nos resultados obtidos dos ensaios preliminares, porém com a adição do material de ferramenta PCBN e menor valor de desgaste de flanco como critério de fim de vida. Além disso, do ponto de vista das análises, não só as arestas foram avaliadas, mas também as superfícies dos corpos de prova usinados. É importante observar que nessa fase houve dois ensaios para cada condição utilizada, diferente da fase de ensaios preliminares que só houve um ensaio para cada condição. Maiores detalhes, quanto as informações encontradas no fluxograma, são abordados nos próximos tópicos deste capítulo.