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USINABILIDADE DE AÇOS COM GRÃOS ULTRAFINOS

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6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil

April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil

© Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

USINABILIDADE DE AÇOS COM GRÃOS ULTRAFINOS

Aldo Marcel Yoshida Rigatti,rigattialdo@usp.br 1

Daniel Iwao Suyama, disuyama@fem.unicamp.br2 Cleiton Lazaro Fazolo de Assis, fazocla@usp.br1 Renato Goulart Jasinevicius, renatogj@sc.usp.br1 Alessandro Roger Rodrigues, roger@mat.feis.unesp.br3

1USP-Escola de Engenharia de São Carlos, Av. Trabalhador Sancarlense, 400, CEP 13.566-590, São Carlos - SP 2UNICAMP- Faculdade de Engenharia Mecânica, Rua Mendeleyev, 200, CEP 13.083-860, Campinas - SP 3UNESP- Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Av. Brasil, 56, CEP 15.385-000, Ilha Solteira - SP

Resumo: Este trabalho determinou o efeito do avanço, profundidade de usinagem e tamanho de grão da peça na

energia específica de corte. Os ensaios foram realizados utilizando-se de um centro de usinagem vertical CNC, um dinamômetro piezelétrico e um sistema de aquisição de sinais para obtenção das forças de usinagem e calculo da energia específica de corte. Foi aplicado fresamento de topo concordante com fresa de 25 mm de diâmetro, de duas arestas e insertos de metal duro revestidos com Al2O3, sem uso de fluido de corte. O material utilizado foi o aço COS

AR 60 submetido a um tratamento termomecânico para gerar grãos ultrafinos. O calculo da energia específica foi realizado a partir de um equacionamento que considera as forças corte no tempo durante a usinagem. Os resultados mostram que um aumento de 4 vezes do avanço reduz em 105% a energia especifica de corte. O aumento da profundidade de usinagem em 6 vezes reduz a energia específica em 7%. O refinamento dos grãos da peça elevou a dureza e a energia específica em 62% e 28%, respectivamente.

Palavras-chave: fresamento, energia específica de corte, grãos ultrafinos

1. INTRODUÇÃO

Usinagem é um dos mais importantes processos de fabricação. Peças fabricadas por outros processos muitas vezes exigem mais operações antes que o produto esteja pronto para aplicação. Operações de usinagem podem ser aplicadas tanto em materiais metálicos como em não metálicos, tais como polímeros, madeira, cerâmica e compósito. Atualmente nos países industrializados, o custo com usinagem soma mais de 15% de todos os processos de fabricação. Por este motivo, a usinagem, como parte da ciência da fabricação e tecnologia, é muito importante para as indústrias de manufatura moderna (Davim, 2008).

Atualmente 70% da produção mundial de aços são com baixo teor de carbono, objetivando aplicações industriais das mais variadas, desde imensos componentes estruturais até pequenas peças e dispositivos mecânicos. A obtenção de estruturas ferríticas cada vez mais refinadas em aços baixo carbono são metas da pesquisa atual, possibilitando a obtenção de excelentes propriedades mecânicas, mantendo considerável tenacidade (Neves et al., 2006).

Estruturas refinadas de aços baixa-liga e baixo-carbono ampliam seu campo de aplicação, antes restritos devido a propriedades mecânicas não favoráveis. Muitos estudos em grãos ultrafinos têm sido conduzidos com o propósito de elaborar aços estruturais (Yokoda; Fujioka; Niikura, 2005). No meio siderúrgico, aços com grãos ultrafinos são utilizados para produção de bobinas a quente. Carvalho et al. (2007) apontam para a possibilidade de produção de grãos ultrafinos na laminação de tubos sem costura, com estudos baseados no processo de laminação. Outros autores indicam seu uso na indústria automotiva, como forma de reduzir custos de material, sem denegrir o fator segurança da peça produzida (Stolyarov et al., 2003).

Gerar índices de usinabilidade desses de aços de grão ultrafinos é de extrema importância, pois ainda se encontram em pleno desenvolvimento. Assim, o levantamento de valores da energia específica de corte é de grande importância uma vez que se trata de uma das grandezas físicas mais importantes provenientes da fenomenologia da usinagem, sem esquecer-se de outros importantes parâmetros como força, temperatura de corte, tempo de usinagem, desgaste de ferramenta (Rodrigues, 2005).

(2)

A energia específica de corte (u) é definida como a razão entre a força de corte e a área da seção de corte. Ela pode ser entendida como a energia efetiva consumida para remover uma unidade de volume do material da peça. Em ambos os casos, a unidade é dada em energia por volume ou força por área.

A energia específica de corte é considerada um bom índice de usinabilidade dos materiais e permite compreender todo o processo de corte (Polini e Turchetta, 2004). Dentre as várias formulações apresentadas por diversos pesquisadores, a expressão da energia específica de corte para um caso geral é dada pela Eq. (1).

.

. .

.

c c c c

F v

F

u

h b v

h b

(1)

sendo Fc a força de corte, f o avanço, h espessura de corte, b largura de corte e vc velocidade de corte. Usualmente a energia específica de corte é dada em J/mm3. A energia específica é um conceito não só usado em usinagem com ferramentas de geometria definida e indefinida, mas também muito útil para processos de conformação (Shaw, 1984). Na usinagem, podem-se estimar as forças de corte as quais, em projeto, determinam necessidades estruturais da máquina e em processo influem na qualidade dimensional e geométrica do produto. Em operações de usinagem, segundo Ersoy e Atici (2004), a energia específica de corte pode ser usada para determinar a potência requerida pela máquina-ferramenta.

Vários fatores influenciam na força e energia específica de corte, tais como o tipo de material usinado, a ferramenta de corte e as condições e operações de corte. O conhecimento desses fatores é importante para o correto planejamento do processo de usinagem. As condições de usinagem, como a profundidade de usinagem, avanço, espessura de corte e área de corte são inversamente proporcionais à energia específica, sendo o avanço mais sensível dos parâmetros.

Nas características intrínsecas ao material da peça tem-se a dureza, o tipo de material usinado, sua composição química e seu limite de resistência ao cisalhamento agindo na variação da energia específica de corte. Materiais mais duros tendem a elevar a energia específica. Certos elementos de liga, como o fósforo e enxofre, reduzem a energia específica por facilitar o corte e o limite de resistência ao cisalhamento está intimamente ligado ao mecanismo de corte, que quanto menor, menor a energia requerida.

Assim, este trabalho objetivou determinar a energia específica de corte no fresamento de um aço de grãos ultrafinos sob diferentes condições de usinagem.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Os ensaios de usinagem foram conduzidos em um centro de usinagem vertical CNC Romi Discovery 560, com rotação máxima de 10.000 rpm e potência de 11 kW. Para aquisição dos dados das forças foi usado um dinamômetro piezelétrico Kistler modelo 9257BA de 3 componentes e um sistema de aquisição composto de um computador, cartão de aquisição de dados, bloco de conectores e amplificador. A montagem do dinamômetro e dispositivo de fixação dos corpos de prova pode ser conferida na Fig. (1).

Figura 1. Montagem experimental para medição da energia específica de corte em fresamento. (a) identificação dos elementos e (b) eixos cartesianos.

Todos os ensaios foram realizados em fresamento de topo concordante, a seco, com largura de usinagem de 2 mm e velocidade de corte de 100 m/min. A Tab. (1) apresenta as condições de usinagem de acordo com os demais parâmetros empregados.

(3)

Tabela 1. Matriz das condições de usinagem. Condição de usinagem Parâmetros de Usinagem Profundidade de Usinagem [mm]

Avanço por dente [mm/dente]

C1 0,05 0,05 C2 0,05 0,20 C3 3 0,05 C4 3 0,20

Os corpos de prova foram extraídos de aço baixo carbono denominado comercialmente de COS AR 60 (USIMINAS/Cubatão). No total foram fabricados 16 corpos de prova, sendo 8 sem tratamento (200 HV), denominados CR (“como recebido”) e 8 com tratamento termomecânico para obtenção de grãos ultrafinos (320 HV), denominados GUF. Para aplicação da Análise de Variância (ANOVA), foram realizadas duas repetições, cada qual usinada em 3 passes. Adotou-se um nível de significância de 5%. A composição química do COS AR 60 é dada pela Tab. (2).

Tabela 2. Composição química do COS AR 60.

C Mn P S Si Al Cu Cr Ni Nb V Ti Ceq

0,15 1,49 0,027 0,009 0,27 0,046 0,005 0,276 0,008 0,048 0,044 0,016 0,40

Segundo dados da empresa, o material estudado neste trabalho é um aço baixo-carbono com propriedades melhoradas. Possui limite de resistência de 630 MPa, limite de escoamento de 530 MPa e alongamento de 26%. Em ensaio de impacto com entalhe em V de 2 mm, a energia média absorvida até a fratura à temperatura de 0 C é de 176 J.

Os insertos usados foram da marca Sandvik Coromant código R390-11 T3 08M-PM 4220 com revestimento de Al2O3 para classe ISO entre P5 e P25 e suporte dos insertos, de código R390-025A25-11L com duas pastilhas intercambiáveis de 25 mm de diâmetro.

2.1. Metodologia de Cálculo da Energia Específica

Após os ensaios a energia específica de corte foi calculada através do equacionamento desenvolvido a partir da Eq. 2. Substituindo espessura de corte h e comprimento de corte b na Eq. (2) pela profundidade de usinagem ap e avanço f, tem-se que o denominador da equação é igual à taxa de remoção de material (TRM).

.

.

. .

c c c c p c

F v

F v

u

a f v

TRM

(3)

Multiplicando a Eq. (3) pelo tempo de corte tc, tem-se no denominador o volume total removido Vrem e no numerador, a velocidade de corte vc multiplicando o impulso de corte Ic.

. .

. .

.

.

c c c c c c c c c rem rem

F v t

v F t

v I

u

TRM t

V

V

(4) O impulso de corte é dado pela integral da força de corte no tempo, que é soma vetorial da força na direção x e y. Assim, tem-se a Eq. (5).

1 2 2 2 0 c t c x y rem

v

u

F

F

dt

V

(5)

(4)

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados referem-se ao comportamento da energia específica de corte diante das condições de usinagem adotadas neste trabalho. A Fig. (2) apresenta os resultados obtidos da energia específica na forma gráfica.

0

2

4

6

8

10

12

14

0,05

0,2

Ene

rg

ia

 E

sp

e

fi

ca

 de

 Co

rt

e

[J/m

m

³]

Avanço por dente [mm/dente] COS AR 60/ap=0,05 mm COS AR 60/ap=3 mm Grão Ultrafinos/ap=0,05 mm Grão Ultrafinos/ap=0,3 mm

Figura 2. Energia específica de corte para diferentes avanços pode dente, profundidade de usinagem e material, velocidade de corte de 100 m/min e largura de usinagem de 2 mm.

O aumento do avanço acarreta a redução da energia específica de corte, sendo esse parâmetro o mais significativo. Obteve-se uma redução média de 49% para o CR (“como recebido”) e 52% para o GUF (grãos ultrafinos). A profundidade de usinagem quase não apresentou alterações na energia específica para as duas condições microestruturais do material. Finalmente, analisando o comportamento dos materiais da peça, a condição CR apresentou menores energias específicas que o material GUF, alcançando uma redução média de 24%.

Usando a ANOVA, foi possível quantificar o efeito dos fatores de controle (variáveis de entrada) na resposta (variável de saída). A Tab. (3) traz o quadro ANOVA.

Tabela 3. Quadro ANOVA para a energia específica de corte.

Fator de controle Graus de liberdade Soma dos quadrados Quadrado médio Teste F Valor P Material* 1 46,98 46,98 54,94 0,000 Profundidade de usinagem 1 1,42 1,42 1,67 0,204 Avanço* 1 278,35 278,35 325,57 0,000 Erro 44 37,62 0,85 Total 47 364,37 * Fator significativo

Analisando os resultados obtidos, observa-se que apenas a profundidade de usinagem não teve influência estatisticamente significativa na energia específica de corte, sendo os demais fatores, tais como o material da peça e avanço por dente, influentes na energia específica.

Graficamente é possível constatar as influências avaliando-se a Fig. (3). O avanço apresentou uma maior influência, seguida do material dos corpos de prova e da profundidade de usinagem.

CR (ap=0,05 mm)

CR (ap=3 mm)

GUF (ap=0,05 mm)

(5)

GUF CR 9 8 7 6 5 3,0 0,5 0,20 0,05 9 8 7 6 5 Material E ne rgi a E specí fi ca d e C or te[ J/ mm³] ap [mm] fz [mm/z]

Figura 3. Análise gráfica dos efeitos principais da ANOVA para a energia específica.

De acordo com os resultados obtidos por Ferraresi (1970), Ersoy e Atici (2004) e Diniz, Marcondes e Coppini (2006), a energia específica sofre maior influência da ação do avanço, onde maiores avanços resultam em menores energias específicas. Com os resultados obtidos nesta pesquisa, foi possível constatar e ratificar o efeito do avanço e da profundidade de usinagem. A condição do material da peça apresentou a segunda maior variação, provavelmente devido às diferenças nas propriedades mecânicas decorrentes do processo de refino de grão, tais como a dureza, por relacionar-se aos novos níveis de tensão do material, e à sua mudança no comportamento plástico durante o processo de formação de cavaco.

4. CONCLUSÕES

Com base em todos os ensaios apresentados neste trabalho, as seguintes conclusões são delineadas:

 O aumento da profundidade de usinagem segundo a ANOVA não se mostrou influente na energia específica de corte, porém no geral exceto para o menor avanço e para o material “como recebido” o aumento da profundidade causou uma pequena redução nas energias específicas;

 O avanço foi o parâmetro mais influente na energia especifica, segundo a analise ANOVA o aumento reduziu a energia específica, a Fig. (2) demonstra o aumento de cerca de 49% para o material “como recebido” e de 52% para o material de grãos ultrafinos;

 O material com grãos ultrafinos aumentou significativamente a energia especifica de corte, a usinagem do material “como recebido” reduz em cerca de 25% a energia específica de corte

5. AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Reginaldo Teixeira Coelho, ao Técnico Ariel Fernando Gatti por todo apoio nos ensaios realizados no OPF da USP de São Carlos.

6. REFERÊNCIAS

Carvalho, R. N. et al., 2009. Possibilidade de produção de grão ultrafino na laminação de tubos sem costura. [S.l.: s.n., 2007]. Disponível em: <http://www.abmbrasil.com.br/cim/download/2simposio_aco_ronaldobarbosa.pps>. Acesso em: 09 dez.

Davim, P. J. “Machining: fundamentals and recent advances”, Springer-Verlag, London, 2008. 389 p.

Diniz, A. E., MARCONDES, F. C. and COPPINI, N. L., 2006. Tecnologia da usinagem dos materiais. 5.ed. São Paulo: Artliber. 255 p.

Ersoy, A.; Atici, U., 2004. “Performace characteristics of circular diamond saws in cutting of different type of rocks. Diamond and Telated Materials”, Amsterdam, Vol. 13, No.1, pp. 22-37.

Ferraresi, D., 1970. “Fundamentos da usinagem dos metais”, Edgard Blücher, São Paulo:, 754 p.

Neves, É. G. et al., 2006. “Comportamento mecânico de um aço C-Mn de grão ultra-fino produzido por torção a quente e recozimento intercrítico”. In: REUNIÃO ANUAL DA SBPC, 58., 2006. Florianópolis. Anais eletrônicos... São Paulo: SBPC/UFSC, 17 October 2008 <http://www.sbpcnet.org.br/livro/58ra>.

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Rodrigues, A. R., 2005. “Estudo da geometria de arestas de corte aplicadas em usinagem com altas velocidades de corte”. 2005. 227 f. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos.

Shaw, M. C.,1984. “Metal cutting principles”, Oxford Science Publications, New York, 594 p.

Stolyarov, V. V. et al., 2003. Ultrafine-grained Al-5 wt.% Fe alloy processed by ECAP with backpressure. Materials Science and Engineering A, Amsterdam, Vol. 357, No. 1-2, pp. 159-167.

Vigneau, J., 1997. Obtendo alta produtividade na usinagem de ligas de titânio e superligas. Máquinas e Metais, São Paulo, Vol.1, No. 380, pp.16-31.

Yokota, T.; Fujioka, M.; Niikura, M., 2005. Grain structure of Fe-0.3mass%C-9mass%Ni steel processed through α→γ→α’ transformation caused by spontaneous reverse transformation. Iron Steel Institute Japan International, Tokyo, Vol. 45, No. 5, pp. 736-742.

7. DIREITOS AUTORAIS

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MACHINABILITY OF STEEL WITH ULTRAFINE GRAIN

Aldo Marcel Yoshida Rigatti,rigattialdo@usp.br 1

Daniel Iwao Suyama, disuyama@fem.unicamp.br 2 Cleiton Lazaro Fazolo de Assis, fazocla@usp.br 1 Alessandro Roger Rodrigues, roger@mat.feis.unesp.br 3 1USP-School of Engineering of São Carlos

2UNICAMP-Faculty of Mechanical Engineering 3UNESP-Engineering Faculty of Ilha Solteira

Abstract: This study determined the effect of the feed, depth of cut and the grain size on the specific cutting energy. The

tests were performed using a CNC vertical machining center, a piezoelectric dynamometer and a data acquisition system for abtaining the machining force and specific cutting energy. An endmill cutter 25 mm diameter of two carbide inserts coated with Al2O3 was employing adopting dry and down milling condition. The workpiece material used was steel COS AR60 0.15% C (200 HV) with a thermomechanical treatment to produce ultrafine grains. The calculation of specific energy was conducted from an equation that considers cutting forces during machining time. The results showed that a 4-fold feed increase reduces 105% the specified cutting energy. The increased depth of cut in six times reduced 7% the specific energy. The refinement of grain increased hardness and specific energy in 62% and 28% respectively

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