TRABALHO EXPERIMENTAL DE ANÁLISE DA RUGOSIDADE NA USINAGEM DO AÇO SAE 1020 COM E SEM ADIÇÃO DE MATERIAL POR SOLDA MAG

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1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil TRABALHO EXPERIMENTAL DE ANÁLISE DA RUGOSIDADE NA USINAGEM DO AÇO SAE 1020 COM E SEM ADIÇÃO DE MATERIAL POR SOLDA MAG Daniel Fabrício Bruns, daniel.bruns@sc.senai.br Evandro Ervim Poffo, evandro.poffo@gmail.com Sidnei Brandt, sidneib@sc.senai.br SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA (SOCIESC), Rua Albano Schmidt, 3333 Joinville Santa Catarina SC Resumo: Na indústria metal-mecânica em geral, a usinagem de peças e componentes com regiões soldadas é um processo comum. Entretanto, sabe-se que a micro-estrutura das regiões que sofrem o processo de soldagem, são afetadas devido há elevadas temperaturas. Podendo implicar no processo de usinagem posterior a soldagem. Desta forma, o presente trabalho investiga a rugosidade gerada pelo processo de fresamento no aço SAE 1020, com e sem adição de material por solda. Adicionalmente, estudou-se também a influência da velocidade de corte na qualidade da superfície usinada, com e sem solda. Os experimentos realizados constataram que a qualidade da superfície esta diretamente relacionada com os parâmetros utilizados para avaliação do processo. Palavras-chave: moldes, usinagem, solda, reparo. 1. INTRODUÇÃO Segundo RICHARDSON (et al, 1996), nos últimos anos, por questões de economia e rentabilidade, os materiais plásticos vêem sendo utilizados como um forte substituto em relação a outros materiais como: o alumínio, o vidro e o papel. No entanto, os polímeros, por apresentarem propriedades mecânicas diferentes dos matérias mais conhecidos, necessitam de um maior know-how cientifico. Todavia, durante a fabricação de moldes e matrizes, erros na geometria destes componentes são comuns. Porém estes erros muitas vezes podem ser corrigidos através de processos de adição de material. Dentre os processos, segundo (Fonseca, et. al. 2002), a soldagem por fusão é o método mais utilizado na união de ligas metálicas. Entretanto, esta implica na aplicação de severos ciclos térmicos que podem levar a uma alteração microestrutural do metal base com conseqüentes variações de propriedades mecânicas. Ainda segundo (Fonseca, et. al. 2002), a soldabilidade é uma propriedade tecnológica que representa a maior ou menor possibilidade do metal base em suportar tais condições, obtendo-se um produto capaz de atender às especificações da qualidade requerida. Neste trabalho experimental, estará sendo usado o processo de soldagem MAG, o qual proporciona muitas vantagens na soldagem manual e automática dos metais para aplicações de alta e baixa produção. O presente trabalho tem por objetivo discutir a importância do reparo de moldes com material de adição, apresentando resultados concisos e relevantes para indústria metal mecânica e de plásticos. No item 2 é apresentada a fundamentação teórica referente ao processo de soldagem e usinagem. Em seguida, no item 3 é apresentada a metodologia do trabalho experimental e seus parâmetros com o uso de um software estatístico para análise e discussão dos resultados. No item 4, é apresentado a conclusão. 2. O PROCESSO DE SOLDAGEM E USINAGEM PARA O REPARO DE MOLDES Com relação à melhor usinabilidade, segundo (Ferraresi, 1977), normalmente é definida por quatro fatores. São eles: qualidade superficial da peça de trabalho, vida útil da ferramenta, integridade da ferramenta com baixa força de corte e conseqüente baixa potência da máquina. No entanto, para (Niño, 2001), é importante ressaltar que durante a fabricação de moldes e matrizes, erros de fabricação são bastante comuns, podendo ocorrer por vários motivos, como: programação errada da máquina CNC, préset errado das ferramentas na máquina CNC, equívocos no zeramento da peça nas máquinas CNC, até mesmo pela alteração do projeto do ferramental, mesmo durante a fabricação do produto. Contudo, (Fonseca, 2002), afirma que erros de fabricação, muitas vezes podem ser corrigidos através da adição de material na cavidade do molde, onde ocorrem estas imperfeições. Vale ressaltar que o material a ser adicionado deva ser do mesmo material, ou similar ao material base. Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

2 Segundo a AWS (American Welding Society, 1991), o processo de soldagem é definido como: processo de união de materiais usados para obter a coalescência localizada de metais e não metais, produzida por aquecimento até uma temperatura adequada, com ou sem a utilização de pressão e/ou material de adição. De acordo (CIMM, 2010), a soldagem MAG pode ser executada em todas as posições não havendo a necessidade de remoção de escória, alta taxa de deposição do metal de solda, tempo total de execução de soldas de cerca da metade do tempo se comparado ao eletrodo revestido, altas velocidades de soldagem, menos distorção das peças, largas aberturas preenchidas ou amanteigadas facilmente. Tornando certos tipos de soldagem de reparo mais eficientes, não havendo perdas de pontas como no eletrodo revestido. Segundo (Alcântara, 2002), este procedimento pode também ser utilizado em desgastes ou quebras do molde/matriz durante o processo de fabricação, evitando a fabricação de um ferramental novo. O processo de recuperação por soldagem tem um custo muito menor do que a fabricação de um molde novo. No processo de soldagem, são formadas diferentes regiões onde o ciclo térmico exerce seu efeito. A figura a seguir demonstra cada uma das regiões. Figura 1. Macroestrutura típica da solda de um aço. (1) Região de poça fundida; (2) Zona Termicamente Afetada (ZTA); (3) Metal Base. Fonte: Fonseca, ET AL, A região identificada como (1), trata-se do material depositado e já misturado com o material base que forma o cordão de solda propriamente dito. Já a região (2), é a região afetada pela temperatura de fusão da solda, mas sem o contato com o material de adição. E por fim a região (3), que é o material base em que esta sendo feito o cordão de solda Rugosidade Segundo a norma ABNT NBR 6405 (1985) a rugosidade é o conjunto de irregularidades, isto é, pequenas saliências e reentrâncias que caracterizam uma superfície. A NBR 6485 (1985) adota o sistema de medição da linha média como parâmetro de rugosidade. Os parâmetros de rugosidades encontrados são: Rugosidade máxima (R y ) que mede o maior valor das rugosidades parciais que se apresenta no percurso de medição. Rugosidade total (R t ) é à distância vertical entre o pico mais alto e o vale mais profundo no comprimento de avaliação, independentemente dos valores de rugosidade parcial. Rugosidade média (R a ) é a média aritmética dos valores absolutos das ordenadas de afastamento, dos pontos do perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro do percurso de medição. Segundo Lima e Correia (2008) o método de medição de rugosidade mais utilizada na mecânica é a R a, pois é o método de mais fácil integração e os circuitos eletrônicos dos instrumentos de medição são relativamente simples, além de ser o parâmetro indicado pela ABNT. Para Da Costa (2011), a rugosidade desempenha um papel importante na construção de moldes de termo-formação, pois a rugosidade superficial do molde interfere na qualidade superficial e na aparência do produto a ser termo formado. 3. METODOLOGIA A metodologia a seguir, enfoca a análise da rugosidade em aço 1020 na usinagem de reparo de moldes e matrizes, fabricados para processos de termo-formação de polímeros, utilizando processos de soldagem MIG/MAG para recuperação e/ou modificação de projetos devido às constantes adequações de peças em exigências do mercado industrial. Inicialmente, com relação aos corpos de prova: foram utilizados 4 corpos de prova com adição de material por solda e 4 sem adição de material por solda. Totalizando 8 corpos de prova com dimensões de 20 x 23 x 50 mm. Importante ainda, mencionar que todos os oito corpos de prova foram seccionados a partir de uma mesma barra e posteriormente pré-usinados para que ambos tivessem as mesmas dimensões. Com relação aos quatro corpos de prova soldados, foram soldagem executados o processo GMAW (Gas-Shielded Metal Arc Welding) soldagem de arco metal

3 por proteção de gás, tradicionalmente conhecido por MIG/MAG (Metal Inert Gás e Metal Active Gás) gases inativos e gases ativos em metal, respectivamente. Em relação à elaboração do planejamento fatorial, realização dos cálculos e plotagem dos gráficos para conseqüentemente possibilitar a análise dos dados de variância (ANOVA). Foi utilizado um software de tratamento estatístico específico para este fim, envolvendo os fatores de adição do material por solda e rotação da máquina. Na seqüência, de acordo com os resultados obtidos pelo software, foram analisadas as variáveis de saída da rotação da ferramenta na rugosidade do material, e a influência da adição do material, sugerindo uma diferença de dureza provocada pela dissimilaridade do material do eletrodo e do material base. Uma vez pré-determinados os parâmetros na posição plana com a tocha fixada em um carro movimentador para controlar a velocidade e a distancia da tocha até o corpo de prova, executaram-se os cordões paralelamente no sentido longitudinal em uma face da peça, de forma que a usinagem foi feita no sentido transversal, possibilitando a execução de três replicações em cada corpo de prova. A seguir, a figura 02 apresenta duas das oito pecas utilizadas como corpos de prova. Sendo uma peça com cordão de solda e outra sem cordão de solda Parâmetros Utilizados Figura 2. Corpos de prova antes da usinagem. Material base: aço SAE Material da solda: eletrodo Autrod AWS/ASME SFA 5.18 ER70S 6. Composição C 0,08 Si 0,9 Mn 1,5, acima citado serão utilizados os parâmetros de velocidade do arame de 5 m/min em um arame de 1 mm de diâmetro. O gás que será utilizado é o CO2 (99,9%) com uma vazão de 10 l/min. Para a solda será utilizado um aparelho de solda MIG/MAG ESAB Smashweld 252. A velocidade de deslocamento da tocha será de 300 mm/min sendo que a tocha estará a 10 mm de distância do corpo de prova. A usinagem será realizada com uma ferramenta de metal duro em um suporte com duas arestas de corte e com diâmetro de 20 mm (ISCAR HM 90 E 90ª D20 2 W 20) e a ferramenta intercambiável utilizada será fornecida pela ISCAR cod. HM90 APKT 1003PDR IC 908 com revestimento TiAlN PVD. A máquina utilizada para a usinagem foi um centro de usinagem CNC FEELER FV 600. As rotações escolhidas foram calculadas de acordo com as especificações dadas pelo fabricante da ferramenta para os materiais do experimento. Sendo assim, a rotação calculada para o aço SAE 1020 foi de 6000 rpm (v c = 380 m/min) e para o material do cordão de solda C 0,08 Si 0,9 Mn 1,5 foi de 3900 rpm (v c = 245 m/min). O avanço da ferramenta, para ambas as situações, foi considerado no valor de 0,15 mm por aresta de corte. Sendo o mesmo, indicado pelo fabricante para usinagem de superfícies de baixa rugosidade. Com o auxilio do software estatístico, foi planejada a aleatoriedade do experimento que definiu a ordem de execução do experimento para minimizar os resíduos, evitando a tendência de resultados. A resposta encontrada foi a diferença de rugosidade entre o material usinado contendo e não contendo solda, com rotações indicadas pelo fabricante para aço 1020 e o aço do material de adição no cordão de solda.

4 Análise e Discussão dos Resultados A figura 03 mostra as regiões onde foram feitas as medidas de rugosidade. Para efeito de análise foi levado em conta apenas a medida média da rugosidade de cada replicação. Figura 3. Região em que foram feitas as medições em cada replicação. Para cada replicação do experimento foram feitas 3 medidas de rugosidade. A seguir, será apresentado na tabela 01, o planejamento fatorial determinado pelo software e as rugosidades medidas nos pontos indicados, com a última coluna apresentando a rugosidade média (Ra) de cada replicação.

5 Tabela 1. Planejamento Fatorial. A seguir, na figura 4 é analisado o gráfico de Pareto o qual correlaciona o grau de significância dos fatores de velocidade de rotação para 3900 rpm e 6000 rpm (A), e material com e sem adição de solda (B), bem como a interação entre os fatores na rugosidade do material estudado. A B 2,086 Fator A B Nome Rotação Material Fatores A B 0,0 0,5 1,0 1,5 Efeitos padronizados 2,0 2,5 Figura 4. Gráfico de Pareto para os efeitos padronizados com grau de significância α = 0,05. Nota-se pela figura 4, que para a rugosidade, os fatores independentes pouco possuem significância por apresentarem valores muito inferior a t = 2,086 com grau de significância α = 0,05. Analisando a coluna referente ao

6 material base e o material de adição (coluna B) percebe-se que praticamente não há influencia na rugosidade, mesmo que haja o material do cordão de solda misturado ao material base. Mesmo a rotação (coluna A) tendo maior influência na qualidade superficial, ainda será pouco significante para o intervalo de confiança definido. Entretanto, a interação entre os dois fatores (coluna AB) possui significância na rugosidade do material usinado. Ou seja, sua barra ultrapassa a linha vermelha correspondente ao termo de t = 2,086 com efeito significante para o grau de liberdade α = 0,05. A seguir no gráfico da média dos resíduos (figura 5), será analisada a normalidade do experimento bem como a ordem proposta pelo software de planejamento fatorial. Percentual Gráfico da Normalidade dos Resíduos Residual 0,050 0,025 0,000-0,025 Gráfico da Igualdade das Variâncias 1-0,050-0,025 0,000 Residuos 0,025 0,050-0,050 0,55 0,56 0,57 0,58 Valores Adaptados 0,59 Histograma dos Resíduos Gráfico de Independência dos Resíduos Frequência 4,8 3,6 2,4 1,2 Residual 0,050 0,025 0,000-0,025 0,0-0,04-0,02 0,00 Resíduos 0,02 0,04-0, Ordem de Observação Figura 5. Análise da média dos resíduos. A partir dos gráficos apresentados na figura 5, é possível inferir os seguintes dados estatísticos: No Gráfico da Normalidade dos Resíduos: os pontos dispostos na linha bem como na sua vizinhança, sugerem que os resíduos estão normalmente distribuídos. No Histograma dos Resíduos: nota-se a aproximadamente simétrica entre as barras residuais. No Gráfico da Igualdade das Variâncias: nota-se variância constante nos valores residuais com dispersões aleatórios em torno de zero. No Gráfico de Independência dos Resíduos: é possível detectar a dependência dos valores residuais com padrão aparente obedecendo à disformidade simétrica. Logo: todos os gráficos da figura 5 sugerem a tendência de uma distribuição normal segundo a análise dos resíduos.

7 Na figura 6 logo abaixo, é avaliada a interação entre os fatores. 0,59 0,58 Rotação 3900 rpm 6000 rpm Rugosidade 0,57 0,56 0,55 0,54 Material com Solda Material sem Solda Figura 6. Avaliação das interações. As linhas tracejadas na vertical, correspondem aos extremos das velocidades de rotação de 3900 rpm e 6000 rpm em relação ao material com solda e material sem solda. Enquanto que a linha horizontal passando próxima a rugosidade de 0,57 R a corresponde à interseção entre as velocidades de rotação no material soldado e não soldado, já que as linhas não são paralelas e se cruzam. Importante ainda mencionar que as linhas tracejadas na vertical e horizontal, são apenas agentes facilitadores para melhor visualização do gráfico. Nota-se que a melhor qualidade superficial se da com a rotação em 3900 rpm no material sem solda. Enquanto no material com solda, a melhor rugosidade foi com a rotação de 6000 rpm. Sugere-se que o aumento da velocidade no material com solda tenha resultado em uma melhor qualidade na rugosidade, devido às propriedades mecânicas do material utilizado para soldagem.desta forma, nota-se que a condição de melhor rugosidade para ambos os fatores é próximo de 0,57 R a. Independente do material ser soldado ou não. A seguir, a figura 7 permite reconhecer o resultado ótimo entre as variáveis. Figura 7. Resultado ótimo. Nota-se pela figura 7, que para um alvo de rugosidade de 0,57 R a os parâmetros que mais se aproximam são a rotação de 5093 em um material sem solda onde foi possível atingir uma rugosidade de 0,5696 R a aproximadamente 0,57 R a o que resulta em 0,99 da meta atingida em um total de 1,00.

8 4. CONCLUSÃO De acordo com o experimento realizado utilizando-se do planejamento fatorial, verificou-se que o trabalho experimental envolvendo análise da rugosidade na usinagem do aço 1020 com e sem material de adição por solda MAG, resultou nas seguintes conclusões: Na figura 03 Gráfico de Pareto, os fatores de rotação e material de solda, não interferem significativamente qualidade superficial se forem analisados separadamente. Entretanto, a interação entre os dois fatores (coluna AB) possui significância relevante na interferência da rugosidade do material usinado. Na figura 04 Análise da média dos resíduos, com relação à freqüência, pode-se identificar a tendência de uma distribuição normal (curva de Gauss). O fator que envolve a adição de material de solda não interfere significativamente na rugosidade. Logo se pode inferir que a condição ideal pode ser alcançada independente de o material ser ou não ser usinado com adição de material por solda. No gráfico da aleatoriedade percebe-se que nas últimas quatro medidas, há uma tendência de mostrar uma melhora da rugosidade. Isso pode ser explicado pela proximidade da rotação na replicação próxima do ponto ótimo. De acordo com norma de rugosidade NBR 8404 (1984), o valor de 0,57 Ra é um valor intermediaria das classes N5 e N6. Contudo, com a média da variação da rugosidade em 0,05um, pode-se perceber que para a classe das rugosidades, esta variação não foi significativa. Contudo o experimento demonstrou que houve variação. Valores estes, próximos aos obtidos nos processos de retificação. Logo, o experimento comprovou que a adição do material de solda não interfere no acabamento do material usinado. Sendo assim, para este trabalho experimental, a condição ideal foi à rugosidade média de 0.57 Ra. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES pelo fomento à pesquisa, através dos projetos Pró-Engenharias e Pró-CAD, aos membros do grupo de pesquisa Promolde, a Sociedade Educacional de Santa Catarina IST/SOCIESC, e ao SENAI/SC. 6. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS Alcântara, N. G. Workshop De Grupos De Pesquisa Do Tema, Tecnologia Da Soldagem. Dez American Welding Society AWS. Welding Handbook. V.2. 8 Ed. Miami, Associação Brasileira De Normas Técnicas. Informação E Documentação Referências Elaboração. NBR Rio de Janeiro: ABNT, Associação Brasileira De Normas Técnicas. Informação E Documentação Referências Elaboração. NBR 6405:1985 Rio De Janeiro: ABNT, Da Costa, H. N. disponível em - Tolerância de acabamento superficial Rugosidade. Acessado em 30/01/2011 Ferraresi, D. Fundamentos Da Usinagem Dos Metais: Edgard Blucher, Fonseca, Marcelo A. et al. Efeito Do Insumo De Calor Na Microestrutura Da Solda Do Aço Ntu-Sar 50 Pelo Processo A Arco Submerso. Unileste-Mg, Lima, F. C.; Corrêa, M. Correlação entre os parâmetros de rugosidade: uma abordagem matemática - Rev. Tecnol. Fortaleza, v. 29, n. 1, p , jun Marconi, M. D. A; Lakatos, E. M. Fundamentos Da Metodologia Científica. 5. Ed. São Paulo: Atlas, Niño, C. E. Especificação De Procedimentos De Reparo Por Soldagem Sem Tratamento Térmico Posterior: Efeito De Revenimento Produzido Pelos Ciclos Térmicos. Tese (Doutorado Em Engenharia Mecânica) - Programa De Pós- Graduação Em Engenharia Mecânica, Universidade Federal De Santa Catarina, Florianópolis, Portal Cimm. Disponível Em: < Migmag-Soldagem-Para- Qualquer-Situação>. Acesso Em: 29 Jul Richardson, T; Lokensgard, E. Industrial Plastics: Theory And Application. New York: Delmar Publisher Inc DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho.

9 WORK EXPERIMENTAL OF ANALYSIS OF ROUGHNESS IN MACHINING OF THE STEEL SAE 1020 WITH AND WITHOUT ADDITION OF MATERIAL FOR SOLDA MAG Daniel Fabrício Bruns, Evandro Ervim Poffo, Sidnei Brandt, EDUCATIONAL SOCIETY OF SANTA CATARINA (SOCIESC), Street Albano Schmidt, 3333 Joinville Santa Catarina SC Abstract: In the metal-mechanic industry, in general, the machining of pieces and components with welded is a common process. However, it is known that the micro-structure from regions that suffer the welding process is severely affected due to the high temperatures, being able to imply in the machining process after welding. In this way, the current job investigates roughness generated by the milling process in steel SAE 1020, with or without the welding process work. Additionally, it was studied too the influence of cutting speed in the surface quality machined in this condition, with or without solder.verify the surface quality do not changes significantly for the analyzed regions, in the cutting condition. Keyword: molds, machining, welds, repair.