AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE SUPERFICIAL DE AÇO INOXIDÁVEL APÓS A FURAÇÃO

7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING

20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil

AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE SUPERFICIAL DE AÇO INOXIDÁVEL

APÓS A FURAÇÃO

Rodrigo Panosso Zeilmann, rpzeilma@ucs.br1

Roland Heiler, roland.heiler@HTW-Berlin.de2 Fernando Moreira Bordin, fmbordin@ucs.br1 Guilherme Schroder Comin, gscomin@ucs.br1 Göran Estel, goeran.estel@HTW-Berlin.de2 Mykola Rubel, s0516195@HTW-Berlin.de2

1_{Universidade de Caxias do Sul, Centro de Ciências Exatas e Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia} Mecânica, Rua Francisco Getúlio Vargas, 1130, 95001-970, Caxias do Sul, Brasil.

2

Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Wilhelminenhofstr.12, 12459 Berlim, Alemanha.

Resumo: Com a crescente preocupação das indústrias automobilísticas em relação ao meio ambiente, os conceitos de

redução de tamanho e emissões de CO2 nos motores a diesel e à gasolina, passam a ganhar maiores atenções. Esses

conceitos só podem ser atingidos com o aumento do rendimento dos motores à combustão interna, obtido através da utilização de turbo compressores. A elevada temperatura de escape dos gases do motor na parte quente do turbo exige materiais que resistam a essa condição extrema, requerendo o uso de ligas inovadoras, a exemplo do aço inoxidável fundido DIN 1.4848. Essa liga de aço inoxidável fundido é um material com elevada resistência mecânica, à corrosão e à temperatura, porém de difícil usinagem. Fenômenos como alto encruamento do material, alta resistência a temperatura, conferem a esta liga severidades únicas durante o processo de furação, o qual é caracterizado pela elevada carga térmica a que a ferramenta esta sujeita e à dificuldade de remoção dos cavacos da região de corte. Estas características podem impactar em condições indesejadas da integridade da peça. Desse modo, para garantir a eficiência do componente em condições de serviço, é necessário um estudo da integridade superficial após os processos de fabricação, visando assim o possível controle dos parâmetros de usinagem a serem utilizados para evitar uma qualidade superficial desfavorável, presença de deformações plásticas e alterações de dureza. Neste contexto, o objetivo deste estudo é avaliar a integridade superficial após a furação do aço inoxidável DIN 1.4848 com brocas metal-duro de alta performance, sob diferentes velocidades de corte e condições de vida da ferramenta. Resultados apontaram que a condição da ferramenta, os parâmetros de corte e a região analisada influem na integridade da superfície gerada, de modo a alterar a qualidade superficial e subsuperficial.

Palavras-chave: usinagem, deformações plásticas, rugosidade, dureza por microindentação.

1. INTRODUÇÃO

Atualmente, a necessidade de diminuição de emissões de óxidos de carbono e nitrogênio para o meio ambiente tem sido amplamente discutida pela sociedade. A crescente frota de veículos automotores se confronta a essa necessidade e demanda da utilização de motores à combustão menos poluentes e com maior eficiência (Bedoya et al, 2012; Schifter et al, 2012).

Uma das maneiras de se reduzir as emissões de óxidos nocivos é através da utilização de turbo compressor. O turbo compressor aumenta a eficiência da mistura ar-combustível, gerando maior potência para o motor, e fazendo, conseqüentemente, com que seu tamanho e consumo sejam reduzidos (Weerasinghe et al, 2010). Porém, a alta temperatura de escape dos gases do motor faz com que seja necessária a utilização de materiais com elevada resistência a cargas térmicas em regiões de maior aquecimento do turbo. As características dos aços inoxidáveis, como a elevada resistência mecânica, à corrosão e à temperatura, fazem com que estes materiais sejam aptos para serem utilizados na fabricação do turbo (Gardner et al, 2010).

A usinagem de aços inoxidáveis, em especial os austeníticos, é considerada difícil devido à alta ductilidade, alta resistência à tração, baixa condutividade térmica, tendência ao encruamento e comportamento abrasivo do material. Essas características geralmente levam a grandes forças de corte e temperaturas elevadas, altas taxas de desgaste, dificuldades com a quebra do cavaco, formação de gumes postiços e pobre qualidade superficial (Shokrani et al, 2012; Maranhão e Davim, 2010). Associado a esta severa condição de usinagem, a furação deste tipo de material acaba por potencializar esses problemas, pois o processo possui diversas particularidades que aumentam as severidades térmicas e

mecânicas inerentes à usinagem. Na furação, o corte de material é realizado internamente à peça, o que dificulta a remoção dos cavacos e concentra o calor gerado durante a usinagem na região de corte. Os efeitos mecânicos e térmicos, representados pelo cisalhamento do material, pelo atrito e pelos gradientes térmicos gerados na interface peça/ferramenta, ocasionam indesejáveis mudanças na integridade (Kwong et al, 2009). Uma região do material afetada prejudica o desempenho do componente em serviço, levando a possibilidade de falhas e empenamentos em serviço (Jawahir et al, 2011).

Diversos trabalhos situam-se no comportamento do desgaste de ferramentas. Lin (2002) observou o comportamento de ferramentas de aço-rápido durante a furação. O autor verificou que a baixos parâmetros de usinagem, o desgaste de flanco era o principal tipo de desgaste, e que com parâmetros moderados ou altos, lascamentos na guia da ferramenta estavam presentes. Paro et al. (2001) observaram no torneamento da liga de aço inoxidável (X5 CrMnN 18 18), que os mecanismos de desgaste apresentados foram a abrasão e adesão, causando falha catastrófica na ponta do inserto e lascamentos no gume principal. Além disso, foi detectada a presença de gume postiço, o que dificultou a usinabilidade do material.

Paro et al. (2001) ainda verificaram a integridade superficial do material após usinagem. Os resultados obtidos apontam a presença de material aderido sobre a superfície, microtrincas e um perfil de dureza com elevados valores nas regiões próximas a borda do material, decaindo até o material base, com uma espessura de camada endurecida em torno de 0,1 mm.

No alargamento de furos de um aço inoxidável austenítico AISI 316L, Belluco e Chiffre (2002) observaram que os efeitos sobre a integridade na usinagem deste tipo de aço se apresentam na forma de deformações plásticas sob a superfície. O perfil de dureza da superfície tem seu valor máximo próximo à borda, que decai à medida que se aproxima do material base. Dolinsek (2004) investigou o fenômeno de endurecimento por trabalho plástico, mecanismo no qual dificulta a usinagem de aços inoxidáveis. O autor relacionou a dificuldade apresentada ao grande trabalho plástico observado na furação deste tipo de material, especialmente pela influência do gume transversal, devido à deformação plástica em vez do cisalhamento, característica desta região.

Tendo em vista esta realidade de pouco estudo sobre a integridade de furos usinados em aço inoxidável, foram realizados ensaios experimentais para investigar a condição da integridade da superfície originada no processo de furação do aço inoxidável DIN 1.4848 com brocas de metal duro, sob diferentes velocidades de corte e diferentes condições de vida das ferramentas.

2. METODOLOGIA

Os ensaios foram realizados em um centro de usinagem CNC SPINNER MVC 610, com capacidade para rotações máximas de 10.000 1/min, potência de 18,5 kW, Fig. (1a), no laboratório de Engenharia de Produção, da Universidade de Ciências Aplicadas (HTW), em Berlim, Alemanha.

Como ferramentas foram utilizadas brocas de metal-duro, classe K30F, com diâmetro de 6,8 mm, com furos para emulsão interna, conforme a norma DIN 6537. Foi utilizado para os ensaios emulsão interna a uma concentração entre 7 e 8%.

O material dos corpos de prova foi o aço inoxidável fundido DIN 1.4848, com uma dureza de 150 a 220 HB, segundo a norma DIN EN 10295, composição química conforme a tabela 1.

Tabela 1. Composição química, em % de massa, do aço inoxidável DIN 1.4848 utilizado nos ensaios experimentais (DIN EN 10295).

C Si Mn P S Cr Mo Ni Fe

0,3 - 0,5 1,0 - 2,5 Max. 2,0 Max. 0,04 Max. 0,03 24,0 - 27,0 Max. 0,5 19,0 - 22,0 Balanço Os parâmetros foram selecionados de acordo com o catálogo do fabricante. Tabela (2) mostra as diferentes condições utilizadas nos ensaios.

Tabela 2. Condições de corte utilizadas nos ensaios.

Condição Velocidade de corte vc [m/min] Avanço f [mm] Condição da ferramenta 1 45 0,09 Nova 2 Fim de vida 3 60 0,12 Nova 4 Fim de vida

Após os ensaios, os corpos de prova foram cortados longitudinalmente ao furo e enviados às dependências da Universidade de Caxias do Sul, Brasil, para análise de integridade superficial. Texturas dos furos foram observadas e fotografadas com auxílio de um estereoscópio trinocular de medição universal, modelo TNE-10B, Fig. (1c), da marca Entex. Para a medição de rugosidade foi utilizado um rugosímetro Taylor Hobson, modelo Surtronic 3+, com um cut-off

de 0,8 mm e 4 mm de comprimento de amostragem, ilustrado na Fig. (1e). A rugosidade foi medida no sentido do avanço da ferramenta.

A caracterização da integridade superficial foi realizada pela análise visual da camada afetada e avaliação do perfil de dureza por microindentação do material. O corpo de prova foi seccionado transversalmente ao furo, em seu início e fim, sendo avaliada a camada afetada na direção do movimento de corte e perfil de dureza no sentido radial ao furo.

A análise da camada afetada se deu com o auxílio de um microscópio ótico Nikon, modelo Epiphot, com ampliação máxima de 1000x, na Fig. (1b), em conjunto com o software Imagine, desenvolvido na universidade, para medição visual da espessura da camada afetada. Foi utilizado como ataque a solução de percloreto de ferro (FeCl3) em um tempo de ataque de 10 s.

Para as medições de dureza, foi utilizado um microdurômetro Shimadzu Mitutoyo, modelo HMV-2, sendo aplicada uma carga de 0,025 kg nas indentações, na Fig. (1d). A distância, a partir da borda e entre indentações, foi de 20 µm, conforme a norma ASTM E384-11. Figura 1 ilustra os equipamentos utilizados nos ensaios.

Figura 1. Equipamentos: (a) centro de usinagem; microscópios óticos: (b) metalografia, (c) textura; (d) microdurômetro; (e) rugosimetro.

3. RESULTADOS

A rugosidade superficial de peças é comumente o parâmetro utilizado na indústria para qualificar a qualidade da superfície. Tendo em vista as características da superfície, as Fig. (2) e (3) mostram o comportamento da rugosidade e textura para as diferentes condições testadas, no início do furo.

Figura 2. Rugosidade medida no início do furo, de acordo com as condições de usinagem.

De um modo geral, as rugosidades mensuradas apresentaram comportamentos distintos. A ferramenta em fim de vida, na condição de vc = 45 m/min, gerou uma menor rugosidade. A perda da geometria com o desgaste da ferramenta, reduz conseqüentemente as propriedades de corte, prejudica o cisalhamento do material e aumenta as deformações plásticas (Zeilmann et al. 2009).

De modo contrário, nas condições 3 e 4, a rugosidade mensurada foi maior para a ferramenta em fim de vida. Com a ferramenta em desgaste, a perda da geometria inicial faz com que o balanço e vibração da ferramenta sejam maiores (El-Wardany et al., 1996). Maiores parâmetros propiciam que esta condição eleve a rugosidade (Kwong et al., 2009).

Quando se compara o aumento dos parâmetros de corte, para as condições 1 e 3, conclui-se que maiores velocidades e avanços impactam em menores rugosidades. Segundo Hood et al. (2011), na usinagem de uma liga de níquel, Haynes 282, o aumento dos parâmetros de usinagem contribuem para uma maior adesão de material sobre a superfície e, devido a este comportamento, os valores de rugosidade para a ferramenta nova foram inferiores aos valores mensurados para a ferramenta em fim de vida.

0 2 4 6 8 10 12 1 vc= 45 m/min f = 0,09 mm Nova Rug o sid a d e [µm ] Ra Rz Ry 2 vc= 45 m/min f = 0,09 mm Fim de vida 4 vc= 60 m/min f = 0,12 mm Fim de vida 3 vc= 60 m/min f = 0,12 mm Nova Condições de usinagem (a) (b) (c) (d) (e)

Em concordância com estes resultados, Jin et al (2011), na usinagem de uma liga de níquel, verificou que o aumento dos parâmetros de corte reduz a rugosidade em decorrência da menor incidência de gume postiço.

Contrariamente para as condições 2 e 4, o aumento dos parâmetros influenciaram de modo a ampliar as rugosidades. Em comum acordo, Lin (2002) verificou que, com o incremento da velocidade de corte, as rugosidades elevaram-se. Este comportamento foi atribuído à vibração sofrida pela ferramenta.

Figura 3. Textura superficial dos furos, para ferramentas novas e em fim de vida, início do furo.

Com a observação visual da superfície, na Fig. (3), é possível notar, para a comparação entre a ferramenta em estado novo e em fim de vida, uma ligeira diferença nas texturas. A presença das marcas de passagem da ferramenta é mais nítida para a ferramenta em estado novo, ao passo que a superfície gerada pela ferramenta em estado de fim de vida, as marcas provenientes da ferramenta são pouco visíveis. Esta visualização auxilia na explicação do fenômeno anteriormente explanado: a perda da geometria inicial da ferramenta faz com que o corte não ocorra adequadamente, de modo que haja a maior deformação e arranque de material, e menor cisalhamento do mesmo.

Visualmente, nas comparações para os menores parâmetros, a condição 1 (ferramenta nova) apresenta maior incidência de material aderido (caldeado) sobre a superfície, enquanto que a condição 2 (ferramenta em fim de vida), ilustra uma condição com aspecto mais alisado. Segundo constatado por Hood et al. (2011), a adesão sobre a superfície de uma liga de níquel, devido ao cavaco segmentado gerado neste tipo de usinagem, gera rebarbas. Essas rebarbas tendem a aumentar a rugosidade de forma significativa.

Já para as condições 3 e 4, maiores velocidades e avanços, o comportamento apresentado foi o contrário. Maiores rugosidades, encontradas para a ferramenta em fim de vida (4), são decorrência da grande variação e não uniformidade da superfície, com marcas aleatórias de passagem da ferramenta, supostamente provenientes da maior vibração causada por maiores rotações. Ferramentas em estado de fim de vida geram maiores vibrações, conforme foi verificado por Kwong et al. (2009). A condição de ferramenta nova (3), apesar de ainda influenciar as vibrações, a geometria da ferramenta propicia um corte mais homogêneo, sem desvios e marcas irregulares. Além disso, é visualmente perceptível a presença de material aderido sob a superfície.

De modo semelhante às análises realizadas para o início do furo, as Fig. (4) e (5) mostram o comportamento da rugosidade e textura para o fim do furo, respectivamente.

Figura 4. Rugosidade medida no fim do furo, de acordo com as condições de usinagem.

Nova Fim de vida

1 mm 0.5 mm 1 mm 0.5 mm In ício d o f u ro vc = 4 5 m /m in , f = 0 ,0 9 m m /r o t 1 mm 0.5 mm 1 mm 0.5 mm vc = 6 0 m /m in , f = 0 ,1 2 m m /r o t 0 2 4 6 8 10 12 1 vc= 45 m/min f = 0,09 mm Nova 2 vc= 45 m/min f = 0,09 mm Fim de vida 4 vc= 60 m/min f = 0,12 mm Fim de vida 3 vc= 60 m/min f = 0,12 mm Nova Ra Rz Ry Rug o sid a d e [µm ] Condições de usinagem

Para o fim do furo, as rugosidades mensuradas seguiram uma tendência de reduzir os valores com o desgaste da ferramenta, como ilustra nas comparações das condições 1 e 2, 3 e 4. A incapacidade do cisalhamento adequado do material faz com que o gume não corte o cavaco, deformando-o e arrancando com a passagem da ferramenta, gerando um aspecto mais alisado da superfície resultante.

Ao contrário do comportamento observado para o início do furo, observa-se que o aumento dos parâmetros de corte não gerou o aumento da rugosidade, condições 1 e 3, 2 e 4. Hood et al. (2011), mencionou que maiores severidades de corte (maiores parâmetros e desgaste da ferramenta) propiciam um aumento do material aderido/depositado sob a superfície, diminuindo a rugosidade. Já Jin et al. (2011), atribuiu a diminuição da rugosidade à diminuição da incidência de gume postiço sobre a ferramenta.

Segundo Hood et al. (2011), na usinagem de uma liga Haynes 282, com ferramentas de metal-duro revestidas com TiAlN e utilizando emulsão interna, a maior severidade no corte devido aos maiores parâmetros de corte e ao desgaste da ferramenta faz com que a adesão de material sobre a superfície seja mais pronunciada, como pôde ser observado nas texturas das superfícies, na Fig. (5).

Figura 5. Textura superficial dos furos, para ferramentas novas e em fim de vida, início do furo.

As superfícies apresentam um aspecto menos homogêneo para as ferramentas novas (1 e 3), ao passo que as cavidades nas condições em fim de vida (2 e 4) apresentaram um aspecto menos irregular, mais alisado, o que corrobora com os resultados obtidos.

Além do conhecimento da superfície gerada na furação, as características e efeitos subsuperfíciais são de grande valia para o entendimento do processo de corte. A integridade superficial, caracterizada pelas transformações metalúrgicas, químicas e físicas sofridas pela peça, muitas vezes é utilizada como parâmetro a fim de evitar falha de componentes. Desse modo, as Fig. (6) e (7) mostram o comportamento da camada afetada, em relação às condições ensaiadas, para o início e fim do furo, respectivamente.

Figura 6. Espessura da camada afetada para diferentes condições de usinagem, início do furo. 0 5 10 15 20 25 30 vc = 45 m/min f = 0,09 mm vc = 60 m/min f = 0,12 mm Nova Fim de vida Ca m a da a fe ta d a [µm ] Condições de usinagem 1 mm 0.5 mm 1 mm 0.5 mm Fim d o f u ro 1 mm 0.5 mm 1 mm 0.5 mm

Nova Fim de vida

vc = 4 5 m /m in , f = 0 ,0 9 m m /r o t vc = 6 0 m /m in , f = 0 ,1 2 m m /r o t

De um modo geral, a espessura da camada afetada foi maior para as ferramentas em fim de vida. Este resultado vai de encontro aos resultados de rugosidade. Com a perda da geometria inicial de corte devido ao desgaste da ferramenta, ocorre um aumento da área de contato entre a ferramenta e superfície usinada, além do efeito de maior deformação do material. Favorecendo essa condição, a força de corte atuante pela rotação da ferramenta com a ferramenta desgastada é maior, auxiliando no aparecimento de deformações no material (Kwong et al., 2009).

Entretanto, ao confrontarem-se os resultados obtidos para variação de parâmetros, condições (1 e 3) e (2 e 4), observa-se que as maiores deformações foram para as menores velocidades. Em maiores velocidades, a ferramenta tem menor tempo de contato com o cavaco, o qual faz com que o fluxo do mesmo para fora do furo seja mais rápido. Como a maior parcela do calor é transferida para o cavaco, a rápida remoção do mesmo da área de corte faz com que o gradiente de temperaturas não se eleve significativamente e, por conseguinte, não favoreça a formação de deformações plásticas. Por outro lado, o maior tempo de contato do cavaco para menores velocidades, faz com que as temperaturas se elevem e favoreçam as deformações (Ozcelik and Bagci, 2006).

Comparando as condições entre ferramenta nova e em fim de vida, observa-se que maiores deformações ocorrem para as ferramentas desgastadas. Com o incremento do desgaste, a geometria inicial de corte sofre alterações, aumentando a área de contato na interface cavaco/peça/ferramenta. Consequentemente, esta maior área influencia o atrito e, desse modo, geração de calor. Além disso, com o desgaste da ferramenta, as solicitações mecânicas, representadas pelas forças de corte e avanço, aumentam significativamente, influenciando em uma maior deformação por arraste de material, como foi apontado por Kwong et al. (2009).

Figura 7. Espessura da camada afetada para diferentes condições de usinagem, fim do furo.

Em resultados contrários aos observados para o inicio do furo, com o aumento da profundidade, maiores parâmetros de usinagem impactaram em um aumento da camada afetada. Como existe a manutenção da temperatura na região de corte pela ação da refrigeração interna da ferramenta, o efeito de aumento das deformações para o fim do furo pode ser atribuído às maiores forças de corte, contribuídas pelo desgaste da ferramenta, como foi visto por Kwong et al. (2009) e Soo et al. (2011). Maiores avanços, nas condições 3 e 4, influenciam o torque e consequentemente, força de corte, de modo a aumentar (Roukema e Altintas, 2006). Desse modo, as deformações plásticas são superiores nessas condições.

Para auxiliar a visualização das regiões afetadas, a Fig. (8) ilustra as fotos metalográficas para cada condição.

Figura 8. Foto metalográfica do material usinado, para cada condição avaliada. 0 5 10 15 20 25 30 vc = 45 m/min f = 0.09mm vc = 60 m/min f = 0.12mm Nova Fim de vida Ca m a d a a fe ta d a [µm ] [µm ] Condições de usinagem Início do furo vc = 45 m/min; f = 0,09 mm; nova Início do furo vc = 45 m/min; f = 0,09 mm; fim de vida Início do furo vc = 60 m/min; f = 0,12 mm; nova Início do furo vc = 60 m/min; f = 0,12 mm; fim de vida Fim do furo vc = 45 m/min; f = 0,09 mm; nova Fim do furo vc = 45 m/min; f = 0,09 mm; fim de vida Fim do furo vc = 60 m/min; f = 0,12 mm; nova Fim do furo vc = 60 m/min; f = 0,12 mm; fim de vida

Observa-se nas imagens metalográficas um deslocamento da orientação dos grãos próximos a borda do material, fato que indicia presença de deformações plásticas no material. Entretanto, devido à natureza do material, a análise precisa da subsuperfície através de ataques químicos fica limitado.

Em conjunto com as medições de camada afetada, o perfil de dureza por microindentação auxilia na verificação das alterações sofridas pela peça. Fig. (9) (a) e (b) mostra o comportamento da dureza para as condições de usinagem testadas, para o início e fim do furo, respectivamente.

Figura 9. Perfil de dureza para as condições ensaiadas: (a) Início do furo; (b) fim do furo.

Para o início do furo, a condição que apresentou o perfil de dureza mais acentuado foi a 3 (vc = 60 m/min, nova), seguida pela condição 4 (vc = 60 m/min, fim de vida), 2 (vc = 45 m/min, fim de vida) e 1 (vc = 45 m/min, nova). Maiores alterações no perfil de dureza do material estão associados às maiores deformações.

Para o fim do furo, as maiores durezas e perfis foram mensurados para a condição da ferramenta em fim de vida, condizente com a hipótese de que o desgaste da ferramenta atua de forma a aumentar os esforços durante o processo. Soo et al. (2011) constatou que as forças de corte e os valores de torque aumentaram exponencialmente com a evolução do desgaste, para a usinagem de superliga de níquel, fator que contribui para o encruamento da superfície, e conseqüente aumento da dureza na região próximo à borda.

O perfil de dureza auxilia na verificação da camada afetada. Próximo à borda do furo, maiores valores de dureza são observados. O’Sullivan e Cotterel (2002) apontam que os processos de usinagem ocasionam um endurecimento da superfície usinada, e que para o aço inoxidável austenítico é muito comum a possibilidade da formação da martensita durante o cisalhamento. A possível mudança de fase do material poderia explicar o endurecimento da borda do furo, porém, como não foram observadas estas alterações através das imagens metalográficas, a maior dureza na superfície é resultado supostamente do encruamento do material.

O encruamento do material, que confere o aumento de dureza da camada mais superficial da superfície usinada, é causado principalmente pela condição mecânica do processo. De modo análogo, as severidades térmicas atuam no sentido de afetar maiores profundidades do material. Desse modo, a maior dureza superficial supostamente é efeito das maiores severidades mecânicas e o perfil de durezas é relacionado às severidades térmicas. Ambos os efeitos atuam sob a integridade superficial, causando deformações plásticas, encruamento dos grãos e variações do perfil de dureza do material (Cantero et al., 2005).

4. CONCLUSÕES

As condições da ferramenta e os parâmetros de corte utilizados têm efeito sobre a rugosidade e textura do furo usinado. Conforme o aumento da profundidade do furo, os efeitos sobre a qualidade superficial são alterados. No início do furo, maiores rugosidade foram observadas para a ferramenta nova e para os menores parâmetros. Os mesmos comportamentos foram observados para fim do furo.

As deformações plásticas, de modo semelhante à rugosidade, mostraram-se diferentes para cada condição testada. Para o início do furo, maior rugosidade foi verificada para as menores velocidades. Ao passo que para o fim do furo, as maiores deformações foram mensuradas para os maiores parâmetros utilizados. Em todas as condições, a ferramenta em fim de vida gerou maiores deformações plásticas, fato que pode ser atribuído aos maiores esforços atrelados a esta condição de desgaste.

O perfil de dureza por microindentação seguiu um comportamento típico, com os maiores valores próximo à borda, que decrescem até atingirem o valor do material base. Os valores mensurados não apontam uma tendência clara, mas de modo geral, as maiores velocidades impactaram em valores de dureza superiores.

200 250 300 350 400 450 500 0 20 40 60 80 100 120 140 Distância da superfície [µm] M ic ro d u re za [HV 0, 025 kgf ] vc = 45 m/min ; f = 0.09 mm – nova

vc = 45 m/min ; f = 0.09 mm – fim de vida

vc = 60 m/min ; f = 0.12 mm – nova

vc = 60 m/min ; f = 0.12 mm – fim de vida

200 250 300 350 400 450 500 0 20 40 60 80 100 120 140 Distância da superfície [µm]

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Universidade de Caxias do Sul pelas bolsas de iniciação científica e disponibilização dos laboratórios para ensaios.

6. REFERÊNCIAS

Bedoya, I.D., Saxena, S., Cadavid, F.J., Dibble, R.W. and Wissink, M., 2012, “Experimental study of biogas combustion in an HCCI engine for power generation with high indicated efficiency and ultra-low NOx emissions”, Energy Conversion and Management, Vol. 53, No. 1, pp. 154-162.

Belluco, W. and De Chiffre, L., 2004, “Performance evaluation of vegetable-based oils in drilling austenitic stainless steel”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 148, No. 2, pp. 171-176.

Belluco, W. and De Chiffre, L., 2002, “Surface integrity and part accuracy in reaming and tapping stainless steel with new vegetable based cutting oils”, Tribology International, Vol. 35, No. 12, pp. 865-870.

Biermann, D., Heilmann, M. and Kirschner, M., 2011, “Analysis on the Influence of Tool Geometry on Surface Integrity in Single-lip Deep Hole Drilling with Small Diameters”, Procedia Engineering, Vol. 19, pp. 16-21. Cantero, J.L., Tardío, M.M., Canteli, J.A., Marcos, M. and Miguélez, M.H., 2005, “Dry drilling of alloy Ti-6Al-4V”,

International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 45, No. 11, pp. 1246-1255.

Chen, W.C. and Liu, X.D., 2000, “Study on the various coated twist drills for stainless steels drilling”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 99, No. 1-3, pp. 226-230.

Deutsches Institut für Normung EN “10295: Heat-resistant steel castings”, 2003.

Dolinsek, S., 2003, “Work-hardening in the drilling of austenitic stainless steels”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 133, pp. 63-70.

El-Wardany, T.I., Gao, D., Elbestawi, M.A., 1996, “Tool condition monitoring in drilling using vibration signature analysis”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 36, No. 6, pp. 687-711.

De Chiffre, L. and Belluco, W., 2002, “Investigations of cutting fluid performance using different machining operations”, Lubrication Engineering, Vol. 58, No. 10, pp. 22-29.

Gaitonde, V.N., Karnik, S.R., Achyutha, B.T. and Siddeswarappa, B., 2008, “Genetic algorithm-based burr size minimization in drilling os AISI 316L stainless steel”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 197, No. 1-3, pp. 225-236.

Gardner, L., Insausti, A., Ng, K.T. and Ashraf, M., 2010, “Elevated temperature material properties of stainless steel alloys”, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 66, No. 5, pp. 634-647.

Hood, R., Loo, S.L., Aspinwall, D.K., Andrews, P., Sage, C., 2011, “Twist drilling of Haynes 282 superalloy”, Procedia Engineering, Vol. 19, pp. 150-155.

Jawahir, I.S., Brinksmeier, E., M’Saoubi, R., Aspinwall, D.K., Outeiro, J.C., Meyer, D., Umbrello, D. and Jayal, A.D., 2011, “Surface integrity in material removal processes: Recent advances”, CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol. 60, No. 2, pp. 603-626.

Jin, D., Liu, Z., Yi, W., Su, G., 2011, “Influence of cutting speed on surface integrity for powder metallurgy nickel-based superalloy FGH95”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 56, N. 5-8, pp. 553-559.

Kivak, T., Samtas, G. and Çiçek, A., 2012, “Taguchi method based optimization of drilling parameters in drilling of AISI 316 steel with PVD monolayer and multilayer coated HSS drills”, Measurement: Journal of the International Measurement Confederation, Vol.45, No. 6, pp. 1547-1557.

Kwong, J., Axinte, D.A., Withers, P.J. and Hardy, M.C., 2009, “Minor cutting edge-workpiece interactions in drilling of an advanced nickel-based superalloy”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 49, No. 7-8, pp. 645-658.

Lin, T.S., 2002, “Cutting behavior of a TiN-coated carbide drill with curved cutting edges during the high-speed machining of stainless steel”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 127, No. 1, pp. 8-16.

Maranhão, C. and Davim, J.P., 2010, “Finite element modeling of machining of AISI 316 steel: Numerical simulation and experimental validation”, Simulation Modelling Practice and Theory, Vol. 18, No. 2, pp. 139-156.

O’Sullivan, D. and Cotterell, M., 2002, “Machinability of austenitic stainless steel SS303”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 124, No. 1-2, pp. 153-159.

Ozcelic, B. and Bagci, E., 2006, “Experimental and numerical studies on the determination of twist drill temperature in dry drilling: A new approach”, Materials & Design, Vol. 27, No. 10, pp. 920-927.

Paro, J., Hänninen, H., Kaupinnen, V., “Tool wear and machinability of X5 CrMnN 18 18 stainless steel”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 119, pp. 14-20.

Roukema, J.C., Altintas, Y., 2006, “Time domain simulation of torsional–axial vibrations in drilling”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 46, pp. 2073-2085.

Schifter, I., Diaz, L., Gómez, J.P., Gonzalez, U., 2012, “Combustion characterization in a single cylinder engine with mid-level hydrated ethanol-gasoline blended fuels”, Fuel, (In Press, Corrected Proof).

Shokrani, A., Dhokia, V. and Newman, S.T., 2012, “Environmentally conscious machining of difficult-to-machine materials with regard to cutting fluids”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 57, pp. 83-101.

Soo, S.L., Hood, R., Aspinwall, D.K., Voice, W.E. and Sage, C., 2011, “Machinability and surface integrity of RR1000 nickel based superalloy”, CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol. 60, No. 1, pp. 89-92.

Tekaslan, O., Gerger, N. and Şeker, U., 2009, “A study on residual stresses formed on AISI 304 austenitic stainless steels when machined with different cutting parameters”, Journal of the Faculty of Engineering and Architeture of Gazi University, Vol. 24, No. 3, pp. 443-452.

Ulutan, D. and Ozel, T., 2011, “Machining induced surface integrity in titanium and nickel alloys: A review”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 51, No. 3, pp. 250-280.

Weerasinghe, W.M.S.R., Stobart, R.K. and Hounsham, S.M., 2010, “Thermal efficiency improvement in high output diesel engines a comparison of a Rankine cycle with turbo-compunding”, Applied Thermal Engineering, Vol. 30, No. 14-15, pp. 2253-2256.

Zeilmann, R.P., Nicola, G.L., Vacaro, T., Bueno, J.S., Teixeira, C.R. and Heiler, R., 2009, “Surface quality of drilled holes using carbide tools”, Proceedings of 20th _{International Congress of Mechanical Engineering, 2009.}

7. DIREITOS AUTORAIS

7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING

20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil

EVALUATION OF THE STAINLESS STEEL SURFACE INTEGRITY

AFTER DRILLING

Rodrigo Panosso Zeilmann, rpzeilma@ucs.br1

Roland Heiler, roland.heiler@HTW-Berlin.de2 Fernando Moreira Bordin, fmbordin@ucs.br1 Guilherme Schroder Comin, gscomin@ucs.br1 Göran Estel, goeran.estel@HTW-Berlin.de2 Mykola Rubel, s0516195@HTW-Berlin.de2 1

Universidade de Caxias do Sul, Center of Exacts Sciences and Technology, Program of Post Graduation in Mechanical Engineering, Francisco Getúlio Vargas, 1130, 95001-970, Caxias do Sul, Brazil.

2

Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Treskowallee 8, 10318 Berlin, German.

Abstract.: With the increasing concern for the environment, the concept of minimizing the size and reduction of CO2

emissions in the diesel and gasoline engine gain attention. This concept can only be achieved with the increase of the performance of the internal combustion engines, obtained through the use of turbochargers. The high exhaustion temperature of the gases of the engine in the hot region of the turbo require materials that can withstand this extreme condition, demanding the use of innovative alloys, such as the cast stainless steel 1.4848. This cast stainless steel alloy is a material with high mechanical strength, resistance to the corrosion and temperature, however, of poor machinability. Phenomenon such as high material hardening, high resistance to temperature, grant to this alloy unique severities during the drilling process, which is characterized by the higher thermal load that the tool is subject to and due to the difficulty of chip removal from the cutting zone. These characteristics can generate undesirable surface integrity conditions to the part. Thereby, to ensure the efficiency of the component in work conditions, it is necessary to study its integrity after the machining processes, aiming this way the possible control of the used machining parameters to avoid an unfavorable surface texture, e the presence of plastic deformations and microhardness alterations. In this context, the objective of this study is to evaluate the surface integrity after drilling of the stainless steel DIN 1.4848 with high performance hard metal drills, under different cutting speeds and tool life. Results point that the tool condition, cutting parameters and analyzed region influence the generated surface integrity, in order to change the surface quality and modify the subsurface.