AVALIAÇÃO DO TORNEAMENTO DO AÇO INOXIDÁVEL SUPER DUPLEX UNS S32760 QUANDO ALTERADOS ÂNGULO DE POSIÇÃO DA FERRAMENTA E PARÂMETROS DE CORTE

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1 AVALIAÇÃO DO TORNEAMENTO DO AÇO INOXIDÁVEL SUPER DUPLEX UNS S32760 QUANDO ALTERADOS ÂNGULO DE POSIÇÃO DA FERRAMENTA E PARÂMETROS DE CORTE Durval Uchôas Braga (D. U. Braga) Universidade Federal de São João del Rei, UFSJ- CSA, Praça Frei Orlando, 170 Centro, CEP: São João del Rei - MG - durval@ufsj.edu.br Reinaldo Emílio Cruz de Jesus (R. E. C. de Jesus) Universidade Federal de São João del Rei, UFSJ - CSA Frederico Ozanan Neves (F. O. Neves) Universidade Federal de São João del Rei, UFSJ - CSA Alex Sander Chaves da Silva (A. S. C. da Silva) Universidade Federal de São João del Rei, UFSJ - CSA Resumo Pesquisas sobre metalurgia dos aços inoxidáveis super duplex são frequentes e pouco se conhece de usinagem dos mesmos, o que permite avaliar a influência do ângulo de posição da ferramenta e dos parâmetros de corte nas forças de usinagem, temperatura na região de corte, integridade superficial e vida da ferramenta, quando torneado este material. Utilizando-se do DOE, observou-se a relação de dependência das variáveis de respostas contra as de influência, assim como a suas correlações. A força de corte apresentou maior valor quando utilizado o menor ângulo de posição da ferramenta e maiores valores de profundidade de corte e avanço. A velocidade de corte, apesar de ter relação com a resistência do material, não influenciou os esforços de usinagem. Observou-se que a temperatura na região de corte foi maior para o ângulo de posição médio da ferramenta, sendo esta a condição que apresentou melhor integridade superficial em termos de rugosidade. Palavras-chave: Torneamento, Super Duplex, Forças de usinagem. 1. INTRODUÇÃO A crescente demanda da indústria do petróleo por materiais que tenham excelente desempenho em ambientes corrosivos exige do mercado soluções que justificam a complexidade das operações de exploração em alto mar e em altas profundidades, ou até mesmo, pelos riscos associados a estas operações (1). 6462

2 Um dos materiais modernos de maior destaque quanto a resistência a corrosão e mecânica em relação ao custo são os aços inoxidáveis super duplex. Esta nova classe de aços permite que os equipamentos fiquem mais leves, com maior resistência mecânica, e com maior vida, favorecida pela resistência a corrosão (2). Os aços inoxidáveis super duplex têm propriedades mais nobres em relação aos convencionais e os duplex e apresentam maior resistência mecânica e uma superior resistência equivalente à corrosão por pite (P.R.E., Pitting Resistance Equivalent) (3). Alia característica dos inoxidáveis ferríticos e dos austeníticos em um só material adquirindo maior resistência mecânica e maior resistência à corrosão que os aços inoxidáveis convencionais (4). Os aços inoxidáveis super duplex são caracterizados pela composição química similar a dos aços inoxidáveis duplex, com maiores teores de Cr, Ni, Mo e N. Possuem microestrutura bifásica, sendo 50% ferrita α, com estrutura CCC e 50% austenita γ, com estrutura CFC (5). Porém, os aços inoxidáveis apresentam, em geral, comportamento diferenciado na usinagem quando comparados a outros materiais. Apresentam altas taxas de encruamento que induzem modificações mecânicas e comportamento heterogêneo nas superfícies trabalhadas, ocasionando formação instável de cavacos e vibrações (6). Possuem baixa condutibilidade térmica, dificultando a retirada de calor pelo cavaco (7). A maior parte do calor gerado no processo é absorvida pela aresta de corte da ferramenta (8), apresenta alta resistência à fratura resultando em altas temperaturas de corte, formação de aresta postiça, alto desgaste nas ferramentas e baixa qualidade superficial devido às altas forças de corte (9). Vários estudos vêm sendo desenvolvidos com os aços super duplex, na área metalúrgica, porém, não há muitos estudos na área de usinagem envolvendo este material. Conhecer o processo de transformação destes materiais em produtos acabados é de suma importância para que a indústria de transformação metal mecânica seja mais competitiva. 6463

3 2. MATERIAIS E MÉTODOS Foram executados experimentos de torneamento cilíndrico tangencial externo em corpos de prova de aço inoxidável super duplex UNS S32760 para avaliar a influência do ângulo de posição da ferramenta nas forças de usinagem, temperatura na região de corte, integridade superficial e vida da ferramenta. Utilizou-se o centro de torneamento ROMI, modelo GL 240M. A Fig. 1 ilustra a montagem e o modelo do centro de torneamento utilizado. (a) (b) (c) Figura 1. (a) Corpo de prova fixado na placa; (b) Centro de torneamento; (c) Dinamômetro fixado junto à torre de ferramentas Para medir as forças foi utilizado um dinamômetro piezoelétrico Kistler, modelo Com o objetivo de verificar a influência do ângulo de posição da ferramenta nos esforços de corte foram utilizados três níveis de suportes com diferentes ângulos de posição ( r ), sendo: Suporte PSSN/L com ângulo de posição ( r ) de 45, ângulo de saída (γ) de 0 e ângulo de inclinação (λs) de -6 ; suporte PCBN/L com ângulo de posição (χ r ) de 75 e, finalmente, suporte PCLN/L com ângulo de posição (χ r ) de 95. Os insertos metálicos utilizados no corte foram: CNMG e SNMG Para monitorar a variação da temperatura na região de corte foi utilizado um termovisor, fabricação Flir, modelo T640. Para medição da integridade superficial nos corpos de prova usinados foi utilizado um rugosímetro, de fabricação Mitutoyo, modelo Surftest SJ-400 e um durômetro para verificar o encruamento na superfície usinada. Para acompanhar o desgaste de flanco V B máximo de 0,3 (mm) e monitorar a vida da ferramenta foi utilizado um microscópio óptico, fabricante Mitutoyo, modelo TM-500, com câmera Moticam 2300, 3.0 MPixel. 6464

4 O planejamento experimental foi executado em duas etapas. A primeira consistiu em realizar torneamento cilíndrico externo para avaliar a influência da variação do ângulo de posição da ferramenta nas forças de usinagem, temperatura na região de corte e rugosidade superficial. Para segunda etapa, após identificar qual melhor condição de corte, foi realizado novos ensaios de torneamento a fim de avaliar a vida da ferramenta. As variáveis de influências (Fatores) para o torneamento tangencial externo foram: a velocidade de corte (V c ), dois níveis; o avanço (f), dois níveis; a profundidade de corte (a p ), dois níveis e o ângulo de posição da ferramenta (χ r ), três níveis. A Tab. (1) ilustra os fatores e níveis experimentados. Como variáveis de resposta dos experimentos realizados foram avaliadas: força de corte em F x - (N); força passiva em F y - (N); forças de avanço F z - (N), rugosidade superficial - (µm) e a temperatura (ºC), na região de corte. Tabela 1. Variáveis de influência Variáveis de influência Fatores Unidade Níveis Especificações Ângulo de posição (χ r ) Grau 3 45º 75º 95º Avanço (f) mm/rot 0,15 0,25 Profundidade de corte (a p ) mm 2 1,5 2,5 Velocidade de corte (V c ) m/min RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1- Análise da Forças de Usinagem A Fig.(2) ilustra os efeitos principais sobre a força de corte (F c ) pelo método de análise de variância (ANOVA). A hipótese nula (H 0 ) foi rejeitada para todas as variáveis de efeito principal, exceto, para a velocidade de corte (V c ), ou seja, a velocidade de corte não exerce influência significativa na força de corte, já que, o valor P-calculado, na estatística, foi maior que 5% (valor P >0,05). As demais variáveis exercem influência sobre a força de corte. 6465

5 Temperatura (Cº) Força de Corte - Fc=Fx (Nm) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Influência dos Fatores na Força de Corte - Fc=Fx (Nm) Ângulo de posição Vel. de corte Prof. de corte Avanço ,5 2,5 0,15 0,25 Figura 2. Gráfico de influência dos fatores na força de corte. Quanto a força passiva o resultado não foi diferente, porem, com redução mais significativa quando aumentado o ângulo de posição da ferramenta ( r ). Já no caso da força de avanço ocorre um aumento da mesma quando aumentado tal ângulo Análise da Temperatura na Região de Corte De acordo com a Fig. (3), as variáveis de maior influência na temperatura na região de corte são o ângulo de posição da ferramenta, a profundidade corte e o avanço da ferramenta, embora para o ângulo de posição de 75 e 90 tenha aceitado a hipótese de igualdade (H0). Influência dos Fatores na Temperatura na Região de Corte (Cº) 280 Ângulo de posição Vel. de corte Prof. de corte Avanço ,5 2,5 0,15 0,25 Figura 3. Gráfico da influência dos fatores na temperatura da região de corte Estes resultados são surpreendentes, pois uma vez que a quantidade de calor gerada na usinagem aumentaria com acréscimos na velocidade de corte, avanço e profundidade de corte interferindo no aumento da temperatura Análise da Rugosidade Superficial 6466

6 Quanto a rugosidade superficial média (R a ), os fatores de maior de influência de acordo com a análise estatística (ANOVA) são: o avanço, ângulo de posição da ferramenta e profundidade de corte. Interessante mostrar também que foram usinados em único passe e duplo passe da ferramenta com resultados dentro da normalidade para os ensaios de vida Vida da Ferramenta de Corte A Fig. (4) ilustra o gráfico do desgaste de flanco (V B ) versus o comprimento de corte, para as três velocidades de corte, passível de se determinar a vida da ferramenta para um limite de 0,3 (mm) de desgaste frontal (VB).. Figura 4. Gráfico do desgaste V B x L C Observou-se o desgaste de flanco característico de abrasão mecânica e deformação plástica do flanco da ferramenta provavelmente motivado por altas temperaturas. A Fig. (5) ilustra os desgaste em algumas das ferramentas utilizadas. (a) (b) (c) Figura 5. Desgaste das Ferramentas utilizadas no corte 6467

7 4. CONCLUSÕES No torneamento do aço inoxidável super duplex UNS S32760, sem fluido de corte, quando alterados níveis de fatores como o ângulo de posição e o avanço da ferramenta e, também, a profundidade de corte, observou-se que: - A maioria dos fatores avaliados exercem influência na usinagem do mesmo. Os resultados foram muito coerentes com a fenomenologia de usinagem dos materiais metálicos apresentados na literatura. - A baixa condutividade térmica do aço inoxidável super duplex UNS S32760 gera aumento de temperatura e sobreaquecimento no conjunto principalmente para níveis maiores destes fatores; - Contrariando o modelo de rugosidade, o nível médio do fator ângulo de posição da ferramenta foi o que apresentou menor rugosidade média (Ra); - A obtenção das curvas de desgaste no tempo para os níveis de velocidade de corte utilizada permitem obter o modelo de vida da ferramenta na usinagem deste conjunto. 5. AGRADECIMENTOS Agradecemos a colaboração das Indústrias Villares Metals e a Sandvik Coromant, pelo incentivo e apoio a pesquisa. E a FAPEMIG e CNPq pela cooperação na liberação de recursos de projetos e bolsas. 6. REFERÊNCIAS (1)- MARTINS. M., CASTELETTI, L. C. Caracterização microestrutural-mecânica e resistência a corrosão do aço inoxidável super duplex ASTM 890/890 M Grau 6a - Tese de Doutorado, Interunidades Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de São Paulo, São Carlos, São Paulo, (2)- OLIVEIRA, J. C. A., Torneamento do aço inoxidável super duplex UNS S32750 e influência na resistência à corrosão. Dissertação de Mestrado Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, São Paulo, (3)- SANTOS, R. J., BOLFARINI, C. Controle da evolução microestrutural durante a solidificação de fundidos de aços inoxidáveis superduplex. 12º CONAF Congresso 6468

8 de Fundição. 2005, São Paulo. (4)- BORDINASSI, E. C. Contribuição ao estudo da integridade superficial de um aço inoxidável superduplex após torneamento. Tese de Doutorado Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos. 201 pag. ed. rev. São Paulo, (5)- GRAVALOS, M. T., Efeitos da usinagem na integridade superficial de um aço inoxidável superaustenítico. Dissertação de Mestrado Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, São Paulo, (6)- SAOUBI, R. M., OUTEIRO, J. C., CHANGEUX, B., LEBRUN, J. L., Dias, A. M. Residual stress analysis inorthogonal machining of standard and resulfurized AISI 316L steels. Journal of materials processing technology, v.96, p , (7)- KORKUT, I.; KASAP, M.; CIFTCI, I.: SEKER, U. Determination od optimum cutting parameters machining of AISI 304 austenitic stainless steel. Materials & Design, v.25, p , (8)- NEVES, D.; CAMARGO, R.; DEONÍSIO, C. C. C; NOVASKI, O. Evalution of the machining stainless steel ABNT 304 and stainless steel Villares 304 UF with hss tin coated twisted drills. Proceedigns of International Congress of Mechanical Enginieering (COBEM), (9)- PARO, J., HÄNNINEM, H., KAUPPINEM, V. Tool wear and machinability of HIPed P/M and conventional cast duplex stainless steels. Wear, v.249, p , EVALUATION OF TURNING STAINLESS STEEL SUPER DUPLEX UNS S32760 WHEN ALTERED PRINCIPAL CUTTING EDGE ANGLE AND CUTTING PARAMETERS ABASTRACT Research on the metallurgy of super duplex stainless steels are common and little is known of the same machining, which allows to evaluate the influence of the principal cutting edge angle and cutting parameters on machining forces, temperature of region cutting, surface integrity and tool life when turning this material. By using DOE, we observed the dependence of response variables against the influence, as well as their correlation. The cutting force showed higher when using the lower principal cutting edge angle and higher values of depth of cut and feed. The cutting speed, despite having relation with the resistance of the material, did not influence the machining forces. It was observed that the temperature in the cutting region is greater for the middle principal cutting edge angle, this is the condition which showed better surface roughness in terms of integrity. Key-words: Turning, Super Duplex, machining. 6469