ESTUDO DA MICROESTRUTURA E MICRODUREZA DO MATERIAL E CAVACO DO AÇO VP100 NA USINAGEM POR APLAINAMENTO, UTILIZANDO UM DISPOSITIVO QUICK-STOP

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1 ESTUDO DA MICROESTRUTURA E MICRODUREZA DO MATERIAL E CAVACO DO AÇO VP100 NA USINAGEM POR APLAINAMENTO, UTILIZANDO UM DISPOSITIVO QUICK-STOP Matsumoto, H. (1); Burgel, M. M. P.(1); Rodrigues, A. R.(2); Yamakami, W. J.(1); Manarelli, F. H. (1); Cruz Junior, E. J. (1) Avenida Brasil, 56, , Ilha Solteira-SP; hidekasu@dem.feis.unesp.br (1) UNESP-Ilha Solteira; (2) USP-São Carlos RESUMO Na usinagem de um material, entender a formação do cavaco é de extrema importância, uma vez que o mesmo influi na força de usinagem, no calor gerado durante o corte, no desgaste da ferramenta de corte e na integridade superficial da peça. Foi utilizado um dispositivo conhecido como quick-stop que fez com que a ferramenta realizasse uma parada instantânea durante o corte do material, permitindo estudar a região da interface peça-cavaco-ferramenta de corte. O material estudado foi o aço VP100 que é um aço utilizado na fabricação de moldes e matrizes. As micrografias e as medições das microdurezas do cavaco e da peça, foram analisados utilizando microscopia ótica e um ultramicrodurômetro. Pode-se observar com nitidez as microestruturas do cavaco, da peça e da região da peça que sofreu deformação e as respectivas microdurezas e suas influências na peça, comprovando a viabilidade da utilização do procedimento quick-stop no estudo proposto. Palavras chave: quick-stop, microestrutura, microdureza, aço VP100. INTRODUÇÃO A usinagem é reconhecidamente o processo de fabricação mais popular do mundo, transformando em cavacos algo em torno de 10% de toda a produção de metais, e empregando dezenas de milhões de pessoas em todo o mundo. Uma simples definição de operação de usinagem seria: processo de remoção de material que ao conferir à peça a forma, as dimensões, o acabamento, ou ainda a combinação qualquer destes itens, produz cavaco. E por cavaco entende-se a porção de material da peça de forma geométrica irregular retirada pela ferramenta de corte.. Em usinagem, as condições em 4334

2 que ocorre a formação do cavaco influenciam diretamente na força de usinagem, no calor gerado, na temperatura de corte, nos mecanismos e nas taxas de desgastes das ferramentas de corte e consequentemente a vida das ferramentas (1). A usinagem tem ainda a peculiaridade de ser um processo essencialmente prático, envolvendo um número de variável bastante grande (2) Este trabalho propõe investigar a microestrutura do cavaco e da peça do aço VP100 na região de contato entre a peça, cavaco e a ferramenta de corte. Para tanto foi utilizado um dispositivo quick-stop adaptado a uma plaina para deixar a raiz do cavaco em condições de análise detalhada por meio de microscópios. REVISÃO DA LITERATURA Aço VP100 O aço VP100 é um material desenvolvido com elementos microligantes, como titânio e vanádio, que pode ser endurecido em condições de resfriamento diferentes da têmpera tradicional, apresentando dureza homogênea da superfície para o núcleo do bloco com dimensões de até 400 x 1200 mm² de secção. Oferece propriedades diferenciadas quando comparado com outros aços nas aplicações de moldes, porta moldes e outros dispositivos que necessitam de alta resistência, com aproximadamente 32 HRC de dureza, além de uma boa qualidade superficial (3). Estudo do Cavaco Segundo Trent e Wright (2000) e Ribeiro Gonçalves e Machado (2011), a formação do cavaco é um processo periódico e conforme descrito por MACHADO (2011), a maioria das teorias modernas disponíveis foram derivadas de estudos da interface obtidos a partir da técnica de congelamento de corte (por meio do dispositivo quick-stop), assim como de medições de deformações e de temperatura na região. Desta forma, a partir da técnica de congelamento de corte, pode-se constatar a forte influência que as condições da interface cavaco e ferramenta exercem no processo. O dispositivo quickstop permite simular o corte ortogonal, transformando o corte em duas 4335

3 dimensões, facilitando assim o estudo da região da interface cavaco, ferramenta e peça. Integridade Superficial Quando um material é usinado, possíveis danos ou alterações superficiais podem ser causados, modificando as propriedades das camadas superficiais, sem modificar as propriedades do interior do material (7). Conforme QUEIROZ, M (2012) descreve, dentre as alterações mecânicas, destacam-se deformação plástica, alterações de microdureza, trincas e tensões residuais. A deformação plástica é comum na usinagem em condições de elevada remoção de material (desbaste) e pode ser identificada pelas estruturas metalúrgicas alongadas na direção do fluxo de deformação. A microdureza pode ser facilmente alterada, descaracterizando as condições iniciais de integridade superficial do produto após o processo de fabricação. MATERIAIS E MÉTODOS Planejamento Experimental O aplainamento das peças foi realizado em uma plaina limadora horizontal. Os parâmetros de corte adotados como variáveis de entrada foram a velocidade de corte (v c ) e profundidade de usinagem (ap). Todos os testes foram realizados a seco, na condição de corte concordante. A Tab. 1 apresenta as variáveis de entrada (fatores de controle) e o número respectivo de variações (níveis). Como uma das metas foi estudar o efeito isolado dos parâmetros de corte, estes foram adotados segundo uma matriz fatorial. As principais análises da influência de cada fator de controle foram feitas através da ferramenta de variabilidade estatística, considerando-se um ensaio e uma réplica. Tabela 1 - Variáveis de entrada e os níveis adotados nos ensaios Parâmetros de Usinagem Níveis Condições de Usinagem C1 C2 C3 C4 Velocidade de corte [m/min] 5,9/8,5 5,9 5,9 8,5 8,5 Profundidade de usinagem [mm] 0,5/1,00 0,5 1,00 0,5 1,

4 Banco de Ensaios Todos os ensaios foram realizados em uma plaina ZOCCA - MODELO PLZ-650. Para a caracterização microestrutural das amostras, utilizou-se um microscópio ótico (MO) da marca Carl Zeiss Jena, modelo Neophot 21,. As imagens do microscópio ótico foram obtidas utilizando uma câmera. As medidas de microdureza foram obtidas empregando-se um ultramicrodurômetro da marca Shimadzu, modelo DUH-211. Corpos de Prova O material, fornecido pela Villares Metals na forma de uma chapa grossa, denomina-se comercialmente como Aço VP100. Os corpos de prova foram de acordo com a geometria apresentada na figura 1. Figura 1 - Corpo de Prova dos Ensaios de Quick-Stop Ensaios de Usinagem Foram usinados 4 pares, com o intuito de promover uma gama de amostras com duas variações de velocidade e duas variações de profundidade (ap) para realização dos ensaios na plaina limadora (figura 2). Ensaios de Microdureza e Microestrutura As amostras passaram por um processo de preparação e por um ataque químico, cujo processo baseou-se em ataque com Nital 2%. Posteriormente as amostras foram levadas ao microscópio ótico para análise da microestrutura e seu registro em fotografia digital. A microdureza foi determinada segundo a norma ISO utilizando a escala de dureza dinâmica Martens (HM) com 4337

5 indentador Vickers e 100 mn (10 gf). Para levantar o perfil de microdureza ao longo da profundidade da superfície usinada, foram efetuadas três repetições ao longo da superfície e posteriormente três pontos dispostos a 10 μm da superfície. RESULTADOS E DISCUSSÕES Microestrutura 30µm (2.a) (2.b) 30µm 30µm (2.c) (2.d) Figura 2 (2.a)-Amostra Usinada na condição C2 (v c =5,92m/min e ap=1,0mm) Região Sub Superficial da Peça. (2.b)- Amostrada Usinada a na Condição C1 (v c =5,92m/min e Ap=0,5mm) Raiz do Cavaco. (2.c)- Amostra da Usinada na Condição C2 (v c =5,92m/min e ap=1,0mm) Raiz do Cavaco. (2.d)- Amostra da Usinada na Condição C2 (v c =5,92m/min e ap=1,0mm) Cavaco. A figura (2.a) apresenta a região afetada pela operação de aplainamento para a condição de usinagem C2 com parâmetros de v c =5,92m/min e ap=1,0mm. Foi possível constatar as deformações da 4338

6 microestrutura homogêneas sinalizando a conformidade da orientação cristalográfica da bainita em relação à direção de corte da ferramenta. Na figura (2.b) podemos observar mais nitidamente a região da raiz do cavaco cujas condições de corte foram v c =5,92m/min e ap=0,5mm. Se observarmos no início da formação do cavaco, seguindo o sentido de corte, poderemos analisar as deformações da microestrutura da peça de acordo com a orientação cristalográfica da bainita. Na figura (2.c) podemos observar um material que anteriormente estivera aderido à ferramenta, constituindo o que denominamos por aresta postiça de corte, que durante o próprio processo de aplainamento ou posteriormente na etapa de retração da ferramenta se desprendeu desta e acabou aderindo-se à peça. Na figura (2.D) podemos observar o cavaco obtido pela condição C2 onde temos v c = 5,92m/min e ap= 1,00mm. A figura apresenta uma distinção lamelar clara devido à alta taxa de cisalhamento entre estas, tal constituição é característica da usinagem de ligas que apresentem alta resistência térmica e mecânica. Microdureza A figura 3 apresenta as durezas medidas no microdurômetro. Observando nos quatro gráficos apresentados e realizando uma comparação mais quantitativa temos que as medidas de microdureza obtidas na sub superfície do cavaco e as medidas obtidas na sub superfície da peça, apresentam-se na mesma faixa de valores para cada condição avaliada, entretanto para o último caso, exibido na figura (3.d) a sub superfície do cavaco apresenta se com um valor superior à da sub superfície da peça na ordem de 35%. A partir dos dados obtidos e de uma análise mais profunda podemos compreender que a variação observada pode ser explicada visto que as condições de aplainamento utilizadas foram mais severas se comparadas às demais, apesar da velocidade de corte 8,5 m/min utilizada ser considerada baixa quando comparada a outros processos de usinagem, a sua associação com uma profundidade de corte de 1mm na usinagem, em um material com 32 HRC, promove não só um maior arrancamento de material mas também 4339

7 maiores esforços de corte e consequentemente maior deformação e transferência de energia ao cavaco. (a) (b) (c) (d) Figura 3 - (a) Amostra Usinada sob a condição v c =5,92m/min e ap=0,5mm; (b) Amostra Usinada sob a condição v c =8,50m/min e ap=0,5mm; (c) Amostra Usinada sob a condição v c =5,92m/min e ap=1,0mm; (d) Amostra Usinada sob a condição v c =8,50m/min e ap=1,0mm. CONCLUSÕES A microestrutura das camadas superficiais e abaixo da superfície aplainada foi deformada em direção ao avanço da ferramenta. 4340

8 As camadas deformadas podem sofrer endurecimento por deformação (encruamento) alterando a dureza superficial da peça e consequentemente a homogeneidade do material. O aumento da profundidade de corte para mesmo valor de v c implica em um aumento da microdureza no cavaco. A microdureza do material diminui ao longo da espessura do cavaco a partir da zona de fluxo. O aumento da velocidade de corte para o mesmo valor de ap influi em uma redução da microdureza na peça. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. MACHADO, A. R.; ABRÃO, A. M.; COELHO, R. T.; SILVA, M. B. Teoria da Usinagem dos Materiais. São Paulo: Edgard Blücher, SHAW, M.C. Metal Cutting Principles, Oxford University Press, MESQUITA, R. A.BARBOSA C. A. Desenvolvimento de um Aço com Usinabilidade Melhorada e Aços Endurecíveis por Precipitação para Moldes de Plástico. Tecnologia em Metalurgia e Materiais. São Paulo, v.1, n.4, p. 115, abr.-jun TRENT, E; WRIGHT, P. Metal Cutting. 4th ed. Boston, USA: Butterworth Heinemann, RIBEIRO, R., GONÇALVES, R., MACHADO, A.; Investigação das Propriedades e Dimensões da Zona de Fluxo na Usinagem de Metais. UFU, Uberlândia, MACHADO, Á. R., ABRÃO, A. M., COELHO, R. T., SILVA, M. B. Teoria da Usinagem dos Materiais, Blucher, São Paulo, v. 2, p. 136, FIELD, M.; KAHLES, J. F. Review of surface integrity of machined components. Annals of the CIRP. [S.l.]: [S.n.], v. 20, p , QUEIROZ, M.; Efeito do Fresamento na Microdureza e Microestrutura do Aço COS AR60 com Grãos Ultrafinos. UNESP, Ilha Solteira,

9 MICROSTRUCTURE AND MICROHARDNESS OF THE VP100 STEEL MATERIAL AND CHIP ON PLANING MACHINING, USING THE QUICK- STOP DEVICE ABSTRACT When a material machining, understand the chip formation is extremely important, since it influences the cutting force, the heat generated during cutting, the wear of the cutting tool and surface integrity. A device called quick-stop was used to cause an instantaneous stop of the tool during the cut, allowing the cutting region analysis. The VP100 molds and die steel was used as the workpiece. The micrographs and measurements of microhardness of the chip and workpiece were analyzed using optical microscopy and one ultramicrodurometer. Could observed the microstructure of the chip, piece, the region of one which has undergone deformation and their respective microhardness and their influences on the piece, proving the viability of using the quick-stop procedure in the proposed study. Keywords: quick-stop, microstructure, microhardness, VP100 steel. 4342