7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
15 a 19 de abril de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil April 15th to 19th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
ANÁLISE COMPARATIVA DAS FERRAMENTAS ALISADORA E
CONVENCIONAL NO TORNEAMENTO DE ACABAMENTO A SECO DO
AÇO INOXIDÁVEL MARTENSÍTICO AISI 420
Rafael Crespo Izquierdo, rcrespo9@hotmail.com 1 – autor para correspondência
Guilherme Cortelini da Rosa, guilherme.cortelini@ufrgs.br 1 – autor para correspondência Karen Mello Colpes, karencolpes@gmail.com 1
André João de Souza, ajsouza@ufrgs.br 1 Giovana Savitri Pasa, savitripasa@uol.com.br 2 Roberto Hubler, robertohubler@pucrs.br 3
André Luis Marin Vargas, andremarinv@gmail.com 3 1
Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS,Departamento de Engenharia Mecânica – DEMEC, Rua Sarmento Leite, 425, Centro – CEP: 90050-170 – Proto Alegre/RS
2
UniversidadeFederal do Rio Grande do Sul – UFRGS, Depto. Engenharia de Produção e Transportes – DEPROT, Avenida Osvaldo Aranha, nº 99 – 5º andar – Centro – CEP 90035-190 – Porto Alegre/RS
3
Pontificia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS, Grupo de Estudos de Propriedades de Superficies e Interfaces – GEPSI, Avenida Ipiranga, nº 6681 – Partenon – CEP 90619-900 – Porto Alegre/RS
Resumo: Pretende-se realizar uma análise das ferramentas alisadora (wiper) e convencional (standard) na usinagem de acabamento a seco do aço AISI 420. Para tanto, foram mensurados os parâmetros de rugosidade média (Ra) e total
(Rt) e as tensões residuais de corpos de prova sob diferentes parâmetros de corte. O AISI 420 é um aço inoxidável
martensítico (temperável) que apresenta alta resistência mecânica e boa usinabilidade. Estudos mostram que quando submetido a tratamento térmico em uma faixa de temperatura de 200 a 300ºC, o AISI 420 apresenta boa tenacidade, porém, maior tensão residual. Para a realização dos experimentos com as duas ferramentas (ambas de metal duro com raio de ponta rε = 0,4 mm), ao adotar os valores recomendados pelo fabricante, manteve-se a velocidade de corte
constante (vc = 290 m/min) e foram utilizados três valores de avanço (f = 0,10; 0,15 e 0,20 mm/volta) e três de
profundidade de corte (ap = 0,4;1,0 e 1,5 mm) combinados através da metodologia de Projeto e Análise de
Experimentos. Em cada tratamento, obtiveram-se três medições de rugosidade a fim de compor a matriz dos valores necessários para a análise realizada com o auxílio do software SPSS (Statistical Package for the Social Sciences). Objetivou-se com isso identificar os efeitos das geometrias wiper e standard e dos valores especificados de ap e f sobre
a rugosidade gerada na peça (mensurada com um rugosímetro portátil) e assim, gerar a combinação adequada para os parâmetros Ra e Rt. Além disso, procurou-se identificar a formação de tensões residuais no material (utilizando a
técnica de Difração de Raios-X) após o processo de usinagem para as duas geometrias e, posteriormente, comparar o resultado entre elas. Tal avaliação de textura e da integridade da peça de AISI 420 permite certa caracterização comparativa do desempenho das duas ferramentas no corte deste material.
Palavras-chave: Ferramenta wiper, Aço inoxidável AISI 420, Rugosidade, Tensão residual, Torneamento de acabamento.
1. INTRODUÇÃO
Com um comprometimento cada vez maior dos processos de usinagem quando o assunto é textura e integridade da peça, existe a necessidade de redução de custos e tempos sem que haja redução da qualidade do produto final. Com isto, pesquisas tendem a buscar meios para gerar a superfície técnica requerida no menor tempo possível eliminando-se principalmente, operações futuras de acabamento (p. ex. retificação). Quando se deseja obter uma superfície com determinado grau de exigência, deve-se determinar em que condições operacionais as peças devem ser trabalhadas e/ou avaliar a qualidade da superfície usinada, tanto em termos de textura quanto de integridade.
Sabendo-se que em um processo de usinagem a rugosidade é um dos efeitos mais estudados, uma vez que, em procedimentos de remoção de material busca-se minimizar a presença de imperfeições na superfície da peça, o objetivo deste artigo é avaliar comparativamente as ferramentas wiper e standard no processo de torneamento de acabamento a seco do aço inoxidável martensítico AISI 420. Como metodologia de análise, pretende-se verificar as rugosidades média (Ra) e total (Rt) e averiguar as tensões residuais geradas no corpo de prova para ambas as ferramentas.
1.1. Aço Inoxidável Martensítico
Sabe-se que todo aço que possui pelo menos 10,5% de cromo em sua composição química é considerado inoxidável, pois o cromo é o elemento de liga que confere aos aços inoxidáveis sua capacidade de alta resistência à corrosão (Ssina, 1995).
Assim, de acordo com a fase constituinte que possua maior predominância em sua microestrutura, os aços inoxidáveis podem ser divididos em três grandes classes: ferrita, austenita e martensita (esta última é considerada uma das fases mais importantes que se pode encontrar dentre as mais variadas classificações dos aços). As martensitas são ligas de ferro-carbono austenitizadas que são submetidas a um resfriamento de alta velocidade até que atinjam a temperatura ambiente, não permitindo assim, que os carbonos formem cementitas (carbonetos de ferro – Fe3C), altamente frágeis. Por isso, as martensitas possuem estrutura monofásica de alta dureza que se encontra em equilíbrio metaestável, proporcionando elevada resistência mecânica (Poletto, 2009).
No entanto, segundo Chiaverini (2005), atualmente admite-se que a martensita apresenta uma estrutura tetragonal e não cúbica formada por um movimento de átomos em planos específicos da austenita, estrutura esta que se apresenta supersaturada de carbono ou com partículas de carbonetos muito dispersas, estando sujeita a microtensões elevadas. Sobre a natureza da estrutura martensítica, conclui-se que a mesma se caracteriza por excessiva dureza e por apresentar tensões internas consideráveis. Simultaneamente a essas tensões, por assim dizer estruturais, o aço temperado caracteriza-se por apresentar tensões térmicas. Estas são ocasionadas pelo fato de que materiais resfriados rapidamente esfriam de maneira não uniforme, visto que a sua superfície atinge a temperatura ambiente mais rapidamente que as regiões centrais, ocasionando mudanças volumétricas não uniformes, com as camadas superficiais contraindo mais rapidamente do que as regiões internas. Como consequência, tem-se a parte central sob compressão e as camadas mais externas sob tração.
Assim, dadas as características destacadas acima, preocupou-se em avaliar por meio da utilização da Difração de Raios-X a tensão residual na peça usinada e realizar um comparativo, neste quesito, entre as ferramentas utilizadas.
Com base no exposto, o AISI 420 configura um material ideal para a fabricação de peças de alta precisão, como utensílios para cutelaria, instrumentos cirúrgicos e dentários, eixos, peças de bombas e válvulas, moldes para plásticos e indústria de vidros.
1.2. Ferramentas Standard e Wiper
Considerando a influência da geometria da ferramenta utilizada, este estudo avalia a relação dos parâmetros de corte (profundidade de corte ap e avanço f) com o raio de ponta r em duas situações distintas de geometria:
convencional (standard) e alisadora (wiper). Juntamente com o avanço das pesquisas estão atreladas as inovações em termos de insertos utilizados para usinagem, onde cada vez mais se encontram ferramentas de corte aperfeiçoadas para melhorar o desempenho no processo de usinagem. De acordo com Sandvik (2012), as pastilhas wiper são capazes de tornear com altas faixas de avanço, sem perder a capacidade de gerar bom acabamento superficial.
A ferramenta alisadora (wiper) possui uma geometria com r modificado. Esta pequena alteração em sua geometria proporciona que f [mm/volta] possa ser dobrado sem prejudicar o acabamento superficial. Em comparação com a ferramenta standard a qual possui apenas um único r, a ferramenta wiper possui mais de um raio (re rω), além de suas
faces planas, permitindo que os picos da superfície gerada, que seriam deixados para trás em função da utilização da geometria convencional, sejam eliminados, o que proporciona ganho produtivo com qualidade superficial superior. Na Figura (1a) é possível identificar os raios e as superfícies planas que compõe a ferramenta wiper comparados com um único raio que compõe a ferramenta standard. Na Figura (1b) é possível comparar o perfil de rugosidade que será gerado durante a usinagem com as duas ferramentas, onde a menor amplitude (entre pico e vale) será registrada para ferramenta wiper devido ao seu r modificado (Mello et al., 2012).
Standard Wiper
(a) (b)
Figura 1. Geometria da ferramenta: (a) raios (r e r) e faces planas na ponta do inserto wiper, (b) comparação entre as geometrias standard e wiper (Mello, et al., 2012).
1.3. Textura e Integridade da Superfície Usinada
Machado et al. (2009) dizem que o acabamento superficial, representado principalmente pela rugosidade e geralmente especificado em projetos mecânicos, consiste em um conjunto de irregularidades que tendem a criar um padrão, ou seja, uma textura em uma determinada superfície. Tais irregularidades estão presentes em todas as superfícies reais, por mais perfeitas que aparentem ser e na maioria das vezes ocorrem devido ao método empregado na obtenção desta. Assim, a importância da rugosidade justifica-se por sua relação com outros fatores, tais como: precisão e tolerância, resistência à corrosão, resistência à fadiga, escoamento de fluidos, lubrificação e transmissão de calor.
São considerados parâmetros de rugosidade os procedimentos adotados para avaliar a textura da superfície de um componente usinado e dentre os existentes, o mais utilizado é a rugosidade média (Ra), o que se deve à sua facilidade de
medição (Mesquita, 1992). O parâmetro Ra consiste da média aritmética dos valores absolutos das ordenadas do perfil
efetivo (medido) em relação à linha média em um comprimento de amostragem (Agostinho et al., 1990; Pereira, 2006). De acordo com a Norma ISO 4287 (1997), além de Ra, outro parâmetro internacional de rugosidade reconhecido
universalmente é a rugosidade total (Rt). O parâmetro Rt consiste da soma da maior altura de pico e da maior
profundidade de vale do perfil efetivo (medido) em relação à linha média no comprimento de avaliação. Rt é empregado
quando é desejável (ou necessário) especificar a altura máxima da rugosidade, pois é diretamente influenciado por qualquer defeito ou irregularidade na superfície (Machado et al., 2009).
A Figura (2) mostra a representação gráfica dos parâmetros de rugosidade Ra e Rt. Na figura, L é a extensão da
amostra, x é a abscissa da curva do perfil P(x) e LM é a linha média.
Figura 2. Rugosidades Ra e Rt em um perfil de superfície P(x) (Mello, et al., 2012).
A superfície obtida pelo processo de torneamento é afetada pelas condições da máquina, peça, dispositivo de fixação da ferramenta e principalmente pelo avanço f [mm/volta] e o raio de ponta rε [mm] da ferramenta de corte.
(Diniz et al., 2008; Machado et al., 2009; Kalpakjian e Schmid, 2010).
Os processos de usinagem de maneira generalizada envolvem grande montante de deformação plástica com alta tensão e alta taxa de deformação, muitas vezes produzindo tensões residuais na camada superficial da peça, que é indesejável, mas inevitável. Isto é um fator crucial para determinar a qualidade superficial (Jang et al., 1996). As tensões residuais são definidas como tensões existentes em um corpo após todos os carregamentos externos terem cessado. Segundo Su (2006), tensões residuais tem uma grande importância quando o assunto é o desempenho de componentes usinados. Muitas vezes as tensões residuais resultantes podem melhorar o desempenho do material frente à agressividade do meio externo e outras vezes podem gerar distorções no componente tornando necessária a introdução de mais uma etapa ao processo (tratamento térmico para alívio de tensões).
A análise de tensões residuais utilizando Difração de Raio-X é uma técnica não destrutiva fundamentada em uma variação do reticulo cristalino induzida por tensões residuais e medida com base na lei de Bragg (Martins et al., 2004). Nesta técnica, a tensão medida no reticulo cristalino e as tensões associadas são determinadas a partir de constantes elásticas assumindo uma distorção linear do reticulo cristalino (Rocha et al., 2009). Esta medida é feita a partir da contribuição de vários grãos, seus espaçamentos (d), o comprimento de onda (λ) da radiação utilizada, metade do ângulo de espalhamento (θ) conforme a Fig. (3).
Em um material com tensões residuais, o espaçamento pode ser utilizado como um extensômetro, medindo a deformação na direção do vetor de difração.
1.4. Projeto e Análise de Experimentos
Os pontos experimentais foram determinados com o auxílio da metodologia de Projetos e Análise de Experimentos (PAE) ou Design of Experiments (DOE). Campos et al. (2011) relatam que os PAEs foram desenvolvidos entre 1926 e 1935 por Ronald A. Fisher, sendo posteriormente difundidos pelo mundo.
Para Vasconcelos et al., 2003, DOE é um método de otimização estatística que visa trabalhar de forma simultânea na obtenção dos melhores níveis em um conjunto de fatores que exerçam influência sobre determinado processo. Este artifício vem sendo significativamente usado em processos industriais, auxiliando na determinação de quantidades e condições para a coleta dos dados que comporão a análise.
Montgomery e Kowalski (2011) ensinam que os experimentos fatoriais são úteis para estudar os efeitos principais dos fatores estudados sobre as variáveis de respostas de interesse, bem como as interações entre fatores. Observa-se a existência de uma interação entre fatores quando o efeito de um fator sobre a resposta depende do nível em que se encontram os demais fatores. Cabe destacar que a detecção de interações é prerrogativa de experimentos estatisticamente planejados em que os fatores são variados simultaneamente, não sendo passiveis de serem detectadas em experimentos tradicionais que variam um fator por vez, mantendo os demais fixos.
2. METODOLOGIA
As especificações das ferramentas, insertos utilizados, da máquina-ferramenta, rugosímetro e metodologia de Projeto e Análise de Experimentos (PAE), bem como, o processo de realização dos ensaios, serão abordados a seguir. 2.1. Caracterização do Material
Utilizou-se o aço inoxidável martensítico AISI 420 na forma de barra cilíndrica recozida com 43 mm.
A composição química foi obtida no Laboratório de Metalurgia Física (LAMEF/UFRGS) através métodos instrumentais com a utilização do Spectrolab – Analytical Instruments – LVFA18B, equipamento para análise de metais por meio de um sistema de leitura óptica. A Tabela (1) mostra os resultados encontrados.
Tabela 1. Composição Química do Aço AISI 420.
Elemento Peso % Elemento Peso %
Ferro (Fe) 85,80 Molibdênio (Mo) 0,0222
Cromo (Cr) 12,95 Fósforo (P) 0,0202
Carbono (C) 0,3290 Cobalto (Co) 0,0122
Manganês (Mn) 0,3260 Enxofre (S) 0,0098
Níquel (Ni) 0,2340 Nióbio (Nb) 0,0069
Silício (Si) 0,1760 Titânio (Ti) 0,0019
Cobre (Cu) 0,0457 Boro (B) 0,0004
Vanádio (V) 0,0240 Outros 0,0417
Observando-se a Tab. (1), comprova-se que o material é um aço inoxidável devido à presença de cromo acima de 12%; o baixo teor de carbono confirma a martensita; a presença de enxofre proporciona a formação de sulfeto de manganês (MnS) que confere uma melhor usinabilidade ao material; já o fósforo dissolve-se na matriz martensítica forçando uma maior fragilidade do cavaco (Diniz et al., 2008).
Os principais elementos de liga deste aço são o cromo, que garante a formação de um filme fino e aderente (filme passivo) que o protege de futuras formas de corrosão (Acessita, 2004)e o vanádio, que junto ao cromo, permite uma melhor resposta ao tratamento térmico de têmpera e revenimento, intensificando o fenômeno de endurecimento secundário (Honeycombe, 1973).
Outra característica conferida é que elementos como nióbio, silício e vanádio modificam a resposta de revenido após o endurecimento. Além disso, uma pequena quantidade de níquel pode elevar a resistência à corrosão e a tenacidade (Gavenda, 2009).
Em relação à presença de boro (B), Suski (2007) afirma que os aços ao boro (C-Mn-B) têm elevada “conformabilidade”, igual ou melhor usinabilidade e menor tendência à formação de trincas de têmpera quando comparados a aços que não possuem boro em sua composição e de igual “temperabilidade”.
Amostras de material foram submetidas a ataques de reagentes químicos (Marble e Oxálico), Fig. (4), e observou-se sua microestrutura no Microscópio Óptico Olympus BX51M do LAMEF/UFRGS a fim de confirmar se a barra forjada havia passado por algum processo de recozimento prévio.
(a) (b)
Figura 4. Microestrutura do AISI 420: (a) carbonetos esferoidizados – ataque com reagente Marble; (b) ataque com reagente de ácido oxálico.
Na Figura (4a) podem-se observar os carbonetos em forma de pequenas esferas, indicando que o material passou por um tratamento de esferoidização. Conforme Callister (2012), a esferoidização é empregada com frequência em aços de baixo e médio carbono que passarão por processos de usinagem, ou que sofrerão extensa deformação plástica durante uma operação de conformação.
A microestrutura da barra no estado recozido é constituída de uma matriz ferrítica com uma dispersão de carbonetos esferoidizados, o que impossibilita a visualização da martensita que será revelada após procedimento de têmpera. A dureza do material esferoidizado foi determinada no LAMEF/UFRGS a partir da média de cinco medições realizadas em escala Brinell através de um Durômetro Wolpert (carga de 187,5 kgf), cujo resultado foi 170 HB (de acordo com Callister, 2012, este valor pode variar de 170 a 220 HB).
2.2. Caracterização das Ferramentas de Corte
A classe de insertos de metal duro (ISO M15) destina-se ao torneamento de aços inoxidáveis, em sua forma austenítica, martensítica e ferrítica, possibilitando acabamento e desbaste leve deste material. Esta classe tem como característica suportar altas temperaturas, e ter uma cobertura resistente ao desgaste.
Para o presente trabalho utilizou-se duas ferramentas com características diferentes: o inserto wiper, Fig. (5a), possui geometria triangular (TNMX) e quebra cavacos para torneamento de acabamento (WF); o inserto standard, Fig. (5b), possui geometria triangular (TNMG) e quebra cavacos para torneamento de acabamento (MF). Ambos os insertos possuem formato básico negativo (T-max P), raio de ponta r = 0,4 mm e cobertura MTCVD (Medium Temperature Chemical Vapor Deposition) TiCN/Al2O3/TiN. O sistema de fixação do inserto no suporte é do tipo cunha-grampo, que minimiza a vibração.
(a) TNMX 160404-WF (b) TNMG 160404-MF
Figura 5. Ferramentas utilizadas: (a) wiper; (b) standard.
As duas ferramentas selecionadas possuem variações semelhantes de seus parâmetros de corte que diferem ligeiramente de acordo com as especificações recomendadas pelo fabricante (Tab. 2).
Tabela 2. Especificações dos insertos.
Geometria Especificação do Inserto
Parâmetros de Corte
vc[m/min] f [mm/volta] ap[mm]
wiper TNMX 160404-WF 290 (270 – 290) 0,20 (0,08 – 0,30) 1,00 (0,20 – 3,00) standard TNMG 160404-MF 290 (270 – 290) 0,15 (0,05 – 0,30) 0,40 (0,10 – 1,50)
2.3. Experimentos Realizados 2.3.1. Análise da Textura Superficial
Utilizou-se como corpo de prova para os ensaios realizados uma seção da barra cilíndrica do AISI 420 conforme Fig. (6) cuja geometria, formada pela execução de rasgos, proporcionou a utilização de até quatro operações (combinações de f e ap). Então, uma vez que se pôde utilizar o mesmo corpo de prova para diversos experimentos,
variando-se apenas os parâmetros para cada um destes, foram realizados dezoito combinações (resultantes da utilização de ambas as ferramentas de corte). Desta forma, o experimento consistiu em se determinar as rugosidades Ra e Rt,
variando-se apenas os valores de ap (0,4;1,0 e 1,5 mm) e f (0,10; 0,15 e 0,20 mm/volta), conforme limites estabelecidos
pelo fabricante das ferramentas, à velocidade constante fixada em 290 m/min. A máquina-ferramenta utilizada para os referidos ensaios foi um Torno CNC Mazak modelo Quick Turn Nexus 100-II, Fig. (7).
Figura 6. Dimensões do corpo de prova [mm] Figura 7. Torno CNC Mazak QTN 100-II Após a operação de acabamento foi verificada a rugosidade da superfície usinada de cada intervalo, por meio da utilização de um rugosímetro Mitutoyo modelo SJ-201, com resolução de 0,01 µm, empregando um cut-off de 0,8 mm. Então, realizou-se uma demarcação na seção transversal da barra, objetivando três leituras a 120° cada e assim traçar o perfil de rugosidade em função das combinações de avanço e profundidade de corte. A Figura (8) mostra detalhes do sistema de medição e do corpo de prova após a usinagem.
(a) (b) (c)
Figura 8. Equipamento e medição de rugosidade: (a) Rugosímetro Mitutoyo modelo SJ-201; Detalhe da medição; (c) Corpo de prova após usinagem.
Torna-se importante ressaltar que para os ensaios realizados com cada uma das ferramentas de corte, as condições de usinagem foram mantidas a fim de evitar que tais variáveis interferissem direta ou indiretamente nos efeitos de vibração do sistema (variação de rigidez) e pudessem influir prejudicialmente no resultado final.
2.3.2. Análise da Integridade Superficial
As análises da estrutura cristalina e das tensões na superfície usinada pelas ferramentas alisadora e convencional foram realizadas em um equipamento XRD 7000 da Shimadzu disponível no Grupo de Estudos de Propriedades de Superfícies e Interfaces (GEPSI/PUCRS) com um goniômetro – e fonte de radiação que utiliza a energia CuK com os parâmetros de 40 kV e 30 mA. As medidas de estrutura cristalina foram realizadas utilizando uma geometria – 2variando o ângulo 2 de 10° a 80°, com velocidade de 2°/min com passo de 0,02° e tempo de 0,6 s. As análises de
tensões superficiais foram realizadas considerando o ângulo Ψ (ângulo de inclinação lateral) constante em 10° e 15° centrado no pico de Bragg 2 entre 44,3°. A medida de deformação nos parâmetros de rede foi obtida através da diferença na posição do ângulo do pico de Bragg (Oladijo et al., 2012).
As amostras selecionadas para a realização das análises de Difração de Raios-X e de tensão superficial foram as amostras f = 0,15 mm/volta e ap = 1 mm, considerando as recomendações do fabricante.
2.4. Análise Estatística
Para este trabalho, planejou-se um experimento fatorial completo, composto pelos três fatores anteriormente mencionados: 2 tipos de geometria de ferramenta, 3 níveis de profundidade de corte e 3 níveis de avanço, resultando em 18 tratamentos. Foram realizadas três medições de rugosidade para cada tratamento, resultando em 54 pontos experimentais ensaiados.
Assim como citado por Montgomery e Kowalski (2011), o projeto fatorial completo ensaiado tem a capacidade de identificar tanto os efeitos do tipo de ferramenta, da profundidade e do avanço individualmente, como possíveis interações entre esses fatores. As variáveis de resposta consideradas foram os níveis de rugosidade média (Ra) e
rugosidade total (Rt).
Para ambas variáveis de resposta (Ra – Tab. 4 e Rt – Tab. 5), foram realizadas Análises de Variância (ANOVA), bem
como comparações entre médias, com o auxilio do software SPSS (Statistical Package for Social Sciences) versão 11 para Windows e de funcionalidades do Microsoft Office Excel 2003.
3. RESULTADOS
Os valores medidos para ambas as variáveis de resposta são apresentados nas Tab. (3) e (4) para as ferramentas wiper e standard respectivamente.
Tabela 3. Valores medidos de Ra e Rt na usinagem do AISI 420 para a ferramenta alisadora (wiper) Profundidade de corte ap [mm] 0,4 1,0 1,5 Ra [µm] Rt [µm] Ra [µm] Rt [µm] Ra [µm] Rt [µm] A van ç o f [m m/ v ol ta ] 0, 1 3,86 2,78 29,27 18,62 0,96 0,95 7,28 6,11 1,21 0,79 11,43 6,45 3,54 20,03 0,92 7,04 0,62 5,99 0, 15 0,33 4,53 0,71 6,81 1,24 13,11 0,26 4,56 0,86 9,53 1,25 15,19 0,43 3,68 0,64 8,42 1,02 11,15 0, 2 0,55 0,57 3,57 3,50 0,69 0,79 6,04 8,03 1,00 1,02 5,68 5,88 0,57 4,41 0,74 5,81 1,03 5,65
Tabela 4. Valores medidos de Ra e Rt na usinagem do AISI 420 para a ferramenta convencional (standard) Profundidade de corte ap [mm] 0,4 1,0 1,5 Ra [µm] Rt [µm] Ra [µm] Rt [µm] Ra [µm] Rt [µm] A van ç o f [m m/ v ol ta ] 0, 1 0 0,78 5,39 0,91 6,78 0,94 6,36 0,96 8,02 1,71 12,74 0,97 6,05 0,76 3,55 1,00 9,12 1,22 13,44 0, 15 1,50 6,56 1,53 8,84 2,41 12,17 1,56 7,36 1,54 8,86 2,38 10,28 1,49 8,05 2,10 16,41 2,46 14,77 0, 2 0 2,90 12,02 3,52 14,11 3,74 16,17 2,88 11,86 3,54 13,81 3,81 18,87 2,89 12,60 3,47 13,58 3,88 19,38
Através da ANOVA observou-se, com um nível de significância de 97,5%, que a ferramenta wiper produz, em média, valores de rugosidade média (Ra) inferiores aos valores obtidos pela ferramenta standard. O intervalo de
confiança para a rugosidade média (Ra) mostra que 95% dos valores com a ferramenta wiper encontram-se entre 0,74 e
Observou-se, com um nível de significância de 99%, que a ferramenta wiper produz, em média, valores de rugosidade total (Rt) inferiores aos valores obtidos pela ferramenta standard. Para a rugosidade total (Rt), o intervalo de
confiança mostra 95% dos valores com ferramenta wiper entre 6,04 µm e 9,72 µm, enquanto com a ferramenta standard encontram-se entre 9,46 µm e 12,89 µm.
Quanto ao fator profundidade (ap), para as ferramentas standard e wiper, não foram observadas diferenças
estatisticamente significativas para as médias de Ra e Rt entre os níveis ensaiados, Fig. (9a) e Fig. (10a).
Quanto ao fator avanço (f), para a ferramenta standard, os níveis 0,10 e 0,15 mm/volta ofereceram resultados de médias de Ra e de Rt estatisticamente menores do que o nível 0,20 mm/volta, Fig. (9b). Já para a ferramenta wiper, os
níveis 0,15 0 0,20 mm/volta ofereceram resultados de médias de Ra estatisticamente menores do que o nível 0,10
mm/volta, Fig. (9b); e o nível 0,2 mm/volta ofereceu medias de Rt estatisticamente menores do que o nível 0,10
mm/volta, Fig. (10b). 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 0,4 1 1,5 Ru g o sid a d e Ra [µm ] Profundidade [mm] Rugosidade Média (Ra) wiper std 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 0,1 0,15 0,2 Rug o sida de Ra [µm ] Avanço [mm/volta] Rugosidade Média (Ra) wiper std (a) (b)
Figura 9. Comportamento de Ra para as ferramentas wiper e standard com relação a: (a) profundidade; (b) avanço.
0,00 2,50 5,00 7,50 10,00 12,50 15,00 0,4 1 1,5 Rug o sida de Rt [µm ] Profundidade [mm] Rugosidade Total (Rt) wiper std 0,00 2,50 5,00 7,50 10,00 12,50 15,00 17,50 0,1 0,15 0,2 Rug o sida de Rt [µm ] Avanço [mm/volta] Rugosidade Total (Rt) wiper std (a) (b)
Figura 10. Comportamento de Rt para as ferramentas wiper e standard com relação a: (a) profundidade; (b) avanço.
Com o intuito de determinar as tensões residuais geradas durante o torneamento de acabamento do aço inoxidável martensítico AISI 420, considerou-se os mesmos parâmetros de corte para as duas analises com ferramenta standard e wiper (vc = 290 m/min, ap = 1,0 mm e f = 0,15 mm/volta). Com os resultados preliminarmente obtidos pôde-se efetuar
uma comparação onde se mensurou para os parâmetros analisados uma rugosidade Ra =1,72 μm para a geometria
standard e Ra = 0,74 μm para a geometria wiper.
Inicialmente esperava-se que a wiper apresentasse uma tendência maior à geração de tensões residuais na peça usinada se comparado à standard. Isto se deve em função de que o inserto wiper apresentar características particulares anteriormente mencionadas.
Assim procurou-se estabelecer uma relação entre as tensões residuais presentes nas respectivas superfícies usinadas utilizando as mesmas condições de corte. Os difratogramas das superfícies, Fig. (11), apresentaram as fases características do aço martensítico apresentando os planos cristalográficos do aço AISI 420.
Conforme os resultados preliminares de tensões, as medidas apresentaram em todas as situações uma tensão compressiva. Esse tipo de tensão superficial é relacionado ao tipo de processo empregado para a geração da superfície técnica, já que durante a usinagem a ferramenta arranca o cavaco através de um processo de pressão superficial e atrito para a realização do acabamento nas amostras.
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 (200) (110) (110) TNMX In te nsi da de (u .a .) 2Theta (graus) TNMG (111)
Figura 11. Difratograma da superfície pós processo de usinagem
Contrariando as expectativas, a tensão compressiva para a superfície usinada com a ferramenta wiper foi de σϵ = 172,74 MPa e para a ferramenta standard o valor foi de σϵ = 320,43 MPa. Estes resultados podem estar relacionados com os parâmetros de corte utilizados e a geometria da ferramenta.
4. CONCLUSÕES
No que tange às características do aço AISI 420, pode-se dizer que este material possui boa usinabilidade. Isto ocorre em função da composição química do material e dos elementos de liga presentes, que já foram apresentados neste trabalho, e que reduzem os efeitos de atrito, facilitando o escoamento do cavaco na região de corte.
O valor para a velocidade de corte (vc = 290 m/min) utilizada nos ensaios seguiu a recomendação do fabricante. Os
valores de avanço f = 0,10; 0,15 e 0,20 mm/volta e de profundidade de corte ap = 0,4;1,0 e 1,5 mm foram determinados
com base nas indicações do fabricante e através da metodologia DOE (Design of Experiments). Através de Análise de Variância (ANOVA) e de comparação múltipla de médias, utilizando o software SPSS, foi possível concluir, com um nível de significância de 97,5%, que a ferramenta wiper produz, em média, valores de rugosidade média (Ra) menores
aos valores obtidos pela ferramenta standard. Observou-se, com um nível de significância de 99%, que a ferramenta wiper produz, em média, valores de rugosidade total (Rt) menores do que os valores obtidos pela ferramenta standard.
Também foi possível concluir que, para a ferramenta wiper, o melhor desempenho foi obtido com o “maior” avanço. Para a ferramenta standard, o melhor desempenho foi obtido com o “menor” avanço. Essa resposta caracteriza a existência de uma interação entre ferramenta e avanço. Com relação à profundidade, não foram observados efeitos significativos para nenhuma das ferramentas.
Com relação às análises preliminares das tensões residuais, pode-se dizer que para os casos das ferramentas com geometrias wiper e standard, os valores obtidos mostram que para torneamento de acabamento, os valores encontrados são tensões compressíveis, que estão relacionados com o processo empregado. Assim, pode-se observar que o maior valor de tensão compressiva foi encontrado na ferramenta standard.
5. REFERÊNCIAS
Acessita S. A., 2004, “Cadernos da Assistência Técnica”. Disponível em: www.nucleoinox.com.br/upfiles/arquivos/ downloads/ACESITA%20CADERNO%205%20OUTUBRO.pdf. Acesso em: 28.Out.2012.
Agostinho, O. L.; Rodrigues, A. C. S.; Lirani, J., 1990, “Tolerâncias, Ajustes, Desvios e Análise de Dimensões”, Edgard Blücher, São Paulo, 295 p.
Callister, W. D., 2012, “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”, 8.ed, LTC, Rio de Janeiro, 817p.
Campos, P. H. S.; Ferreira, J. R.; Paiva, A. P.; Balestrassi, P. P., 2011, “Modelagem da rugosidade (Ra, Rt, Rz, Rq e Ry) no torneamento do aço ABNT 52100 endurecido utilizando cerâmica mista com geometria wiper”. Anais do VI Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação (COBEF), Caxias do Sul, RS, Brasil, 8p.
Chiaverini, V., 2005, “Aços e Ferros Fundidos”, 7.ed. Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, São Paulo,. Diniz, A. E., Marcondes, F. C., Coppini, N. L., 2008, “Tecnologia da Usinagem dos Materiais”, 6.ed, Artliber, São
Paulo, 262 p.
Gavenda, A., 2009, “Tecnologia em Processos de Fabricação Mecânica – Aço-Carbono”, 4p. Disponível em: http://pt.scribd.com/doc/49354559/Aco-carbono. Acesso em: 08 out 2012.
Honeycombe, R. W. K., 1973, “Structure and Strength of Alloy Steels”, London, Climax Molybdenum Company, 36p. ISO 4287, 1997, “Geometrical product specifications (GPS), surface texture: profile method, terms, definitions and
Jang, D. Y.; Watkins, T. R.; Kozaczek K. J., Hubbard C. R., Cavin O. B., 1996, Surface Residual Stresses in Machined Austenitic Stainless Steel. Wear, v. 194, pp. 168-173.
Kalpakjian, S. and Schmid, S.R., 2010, “Manufacturing engineering and technology”, 6.ed., Pearson Prentice-Hall, Upper Saddle River, 1176 p.
Machado, A. R., Abrão, A. M., Coelho, R. T., da Silva, M. B., 2009, “Teoria da Usinagem dos Materiais”, Edgard Blücher, São Paulo, 371 p.
Martins, C. O. D.; Strohaecker, T. R.; Rocha, A. S.; Hirsch, T. K., 2004, “Comparação Entre Técnicas de Análise de Tensões Residuais em Anéis de Rolamento do Aço ABNT 52100”. Revista Matéria, v. 9, n. 1, pp. 20-28.
Mello, M. S., Souza, A. J., Geier, M. , 2012, “Determinação empírica dos parâmetros de rugosidade Ra e Rt aplicando ferramenta alisadora no torneamento a seco de acabamento do aço AISI 4140”, 7º Congresso Nacional de Engenharia Mecânica (Anais do VII CONEM), 31 Jul - 03 Ago., São Luís, MA.
Mesquita, N. G. M., 1992, “Avaliação e Escolha de uma Superfície Segundo sua Função e Fabricação”, Florianópolis, SC, 142 p., Tese (Doutorado), POSMEC, UFSC.
Montgomery, D. C. and Kowalski, S. M., 2011, “Design and analysis of experiments: MINITAB companion”. 7.ed., John Wiley & Sons, Hoboken, 128p.
Oladijo, O. P., Venter, A. M., Cornish L. A., Sacks N., 2012, “X-ray Diffraction Measurement of Residual Stress in WC-Co Thermally Sprayed Coatings onto Metal Substrates”. Surface e Coatings Technology 206, 4725-4729. Pereira, J. C. C., 2006, “Determinação de Modelos de Vida de Ferramenta e Rugosidade no Torneamento do Aço
ABNT 52100 Endurecido Utilizando a Metodologia de Superfície de Resposta (DOE)”, Itajubá, MG, 140 p., Dissertação (Mestrado), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, UNIFEI.
Poletto, T. G., 2009, “Avaliação de diferentes aços inoxidáveis aplicados na indústria cuteleira”, Porto Alegre, RS, 19p., Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Mecânica, DEMEC, UFRGS.
Rocha, A. S.; Nunes, R. M.; Hirsch, T. K., 2009, “Comparação entre a Difração de Raio X e “Método de Furo Cego” para Medições de Tensões Residuais em Barras Cilíndricas”. Revista Matéria, v. 14, n. 3, pp 965 – 976.
Ssina, 1995, “Designer handbook: stainless steel for machining”. Specialty Steel Industry of North America, Washington, D.C., 9p. Disponível em: www.ssina.com/download_a_file/machining.pdf. Acesso em Acesso em: 11.Out.2012.
Su, J. C., 2006, Residual Stress Modeling in Machining Processes. Dissertation, Georgia Institute of Technology. Suski, C. A., 2008, “Estudo da Influência da Adição de Boro nos Aços de Baixo Carbono”, Disponível em:
www.revistadoparafuso.com.br/v1/modelo/noticia.php?id=216, Acesso em: 10.Out.2012.
Vasconcelos, E. C.; Paiva, A. P.; Balestrassi, P.P., 2003, “Determinação de valores objetivos em matrizes QFD usando delineamento de experimentos”, Anais do XXIII Encontro Nacional de Engenharia de Produção (ENEGEP), Ouro Preto, MG, Brasil, 8p.
6. DIREITOS AUTORAIS
COMPARATIVE ANALYSIS OF WIPER AND STANDARD TOOLS IN DRY
FINISH TURNING OF MARTENSITIC STAINLESS STEEL AISI 420
Rafael Crespo Izquierdo, rcrespo9@hotmail.com 1 – autor para correspondência
Guilherme Cortelini da Rosa, guilherme.cortelini@ufrgs.br 1 – autor para correspondência Karen Mello Colpes, karencolpes@gmail.com 1
André João de Souza, ajsouza@ufrgs.br 1 Giovana Savitri Pasa, savitripasa@uol.com.br 2 Roberto Hubler, robertohubler@pucrs.br 3
André Luis Marin Vargas, andremarinv@gmail.com 3 1
Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS, Departamento de Engenharia Mecânica – DEMEC, Rua Sarmento Leite, 425, Centro – CEP: 90050-170 – Proto Alegre/RS
2
UniversidadeFederal do Rio Grande do Sul – UFRGS, Depto. Engenharia de Produção e Transportes – DEPROT, Avenida Osvaldo Aranha, nº 99 – 5º andar – Centro – CEP 90035-190 – Porto Alegre/RS
3
Pontificia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS, Grupo de Estudos de Propriedades de Superficies e Interfaces – GEPSI, Avenida Ipiranga, nº 6681 – Partenon – CEP 90619-900 – Porto Alegre/RS
Abstract: Attempts to establish a comparative analysis between the straightening tools (wiper) and conventional (standard) in machining, finishing the cleaning, the martensitic stainless steel AISI 420. For both, were evaluated parameters of roughness average (Ra) and total (Rt), as well as the residual stresses of bodies of evidence under different combinations of cutting parameters. The AISI 420 is a martensitic stainless steel (temperavel) that shows high mechanical resistance (for having carbon content of more than 0.20 %) and good machinability (depending on the presence of chromium, phosphorus and sulfur). Studies show that when subjected to heat treatments, the temperature range from 200 to 300 ºC, would provide a better "tenacity", but with more "residual tension". To draw a profile of residual tensions generated in part with the tools wiper and standard (both with a radius of tip rε = 0.4 mm), we used the technique of diffraction of x-ray. In the measurement of roughness generated on the surface lathe, a roughness tester laptop was employed. For each geometry of tool, following the values recommended by the manufacturer, has remained the cutting speed constant (Vc = 290 m/min) and were used three values of advance (f = 0.10 ; 0.15 and 0.20 mm/turn) and three values of the depth of cut (ap = 0.4 ;1.0 and 1.5 mm) duly combined through the methodology DOE (Design of Experiments). In each treatment were obtained three measurements of roughness in order to compose the array of values necessary for statistical analysis, performed, with the aid of the statistical software SPSS (Statistical Package for the Social Sciences). The objective of this identify the effects of geometries wiper is standard and of the values specified for ap and f on the surface roughness generated in the piece. And thus, generate the appropriate combination for the parameters Ra and Rt and relates it to the residual tensions verified. In addition, we sought to identify the formation of residual stresses in the material after the process of turning to both geometries of tool and, subsequently, compare the result between them. The evaluation of the texture and integrity of the piece, obtained with the geometries wiper and standard, will provide a real characterization of the performance of these tools in obtaining the surface finish, lathe cleaning, of martensitic stainless steel 420.
Keywords: Wiper tool, Stainless steel AISI 420, Roughness, Residual stresses, Finish turning.
RESPONSIBILITY NOTICE
