COMPORTAMENTO DAS TENSÕES RESIDUAIS E DA RUGOSIDADE NO TORNEAMENTO DO AÇO SAE 1050 COM FERRAMENTA DE CORTE CONVENCIONAL E WIPER

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1 COMPORTAMENTO DAS TENSÕES RESIDUAIS E DA RUGOSIDADE NO TORNEAMENTO DO AÇO SAE 1050 COM FERRAMENTA DE CORTE CONVENCIONAL E WIPER Maria Cindra Fonseca 1, Eduardo L. Tavares 1, Mateus C. Martins 1, Rosemar B. Silva 2, Tatiane C. Chuvas 3, 1 UFF Universidade Federal Fluminense Departamento de Engenharia Mecânica/ PGMEC, Rua Passo da Pátria, 156, São Domingos, Niterói, RJ, Brasil, mcindra@vm.uff.br. 3 UFU Universidade Federal de Uberlândia Departamento de Engenharia Mecânica, Uberlândia, MG, Brasil. 2 CEFET/RJ Departamento de Engenharia Mecânica, Maracanã, Rio de Janeiro, RJ, Brasil RESUMO Os aços ferramenta são empregados em matrizes e componentes estruturais na indústria metal-mecânica. Assim como em outros processos de fabricação, a usinagem introduz tensões residuais nos componentes. Dependendo da natureza, distribuição e magnitude, as tensões residuais podem ser benéficas ou deletérias para a vida em serviço, influenciando a vida em fadiga dos componentes usinados, assim como a qualidade superficial, caracterizada pela rugosidade média. Neste trabalho, foi estudado o comportamento das tensões residuais e da rugosidade no torneamento do aço ferramenta SAE 1050, com insertos de diferentes geometrias e diferentes regimes de corte. As tensões residuais foram medidas por difração de raios-x, pelo método do sen 2 ψ e correlacionadas com sinais de ruído magnético Barkhausen. Os resultados indicaram que o torneamento gerou tensões residuais de maiores magnitudes na direção tangencial. Notou-se que um melhor acabamento superficial pode ser obtido empregando-se ferramentas de corte wiper com avanços elevados. Palavras-Chave: torneamento, tensões residuais, difração de raios-x, rugosidade média, aço SAE

2 INTRODUÇÃO O aço ferramenta SAE1050 se caracteriza por ser um material de elevada resistência mecânica, resistência à abrasão, boa tenacidade e boa usinabilidade, sendo, portanto, empregado principalmente na fabricação de ferramentas, matrizes e componentes mecânicos destinados às diversas áreas industriais (1). As tensões residuais estão presentes em praticamente todos os componentes, estruturas e tubulações. Elas são oriundas de processamentos metalúrgicos e/ou mecânicos aos quais os materiais estiveram submetidos e podem influenciar as propriedades mecânicas, principalmente a resistência à fadiga e à corrosão sob tensão (2). Na usinagem, as tensões residuais são o resultado de deformações plásticas não homogêneas provocadas pela ação mecânica da ferramenta de corte sobre a peça e/ou pelos efeitos térmicos, que podem até causar transformações de fases e, consequentemente, variações volumétricas no material (3). Está bem estabelecido que quando tensões residuais trativas estão presentes na superfície de um material, ao se somarem às tensões de serviço, podem provocar nucleação e propagação de trincas e levar à ruptura prematura do componente, enquanto que as tensões residuais compressivas favorecem longa vida em fadiga e aumentam a resistência à corrosão sob tensão (4). De maneira semelhante às tensões residuais, a qualidade da superfície dos componentes usinados, caracterizada pela rugosidade média (Ra), apresenta um efeito considerável na vida em fadiga do material usinado. Assim sendo, há uma crescente demanda para o desenvolvimento de novas ferramentas de corte, como por exemplo, os insertos wiper, que proporcionam melhores acabamentos superficiais, pela redução dos valores de rugosidade. Devido à sua geometria multi-radial, os insertos wiper têm uma área maior de contato com a peça do que insertos convencionais, proporcionando melhor acabamento da superfície usinada (5). O presente trabalho tem por objetivo analisar o comportamento das tensões residuais, medidas por difração de raios-x, e a qualidade superficial geradas no torneamento do aço SAE1050 com diferentes condições de corte, utilizando ferramenta wiper e convencional, além de dois modos de aplicação de fluido de corte (jorro e MQL- minimum quantity lubrication), determinando a influência de cada parâmetro na qualidade final das amostras. A correlação entre os valores de tensões residuais com o ruído magnético Barkhausen (RMB) complementam o trabalho. 6105

3 MATERIAIS E MÉTODOS Foi estudado o aço ferramenta SAE 1050, produzido na forma de barra cilíndrica, pela Aperam. A composição química e as propriedades do material, fornecidas pelo fabricante, estão apresentadas nas Tabelas 1 e 2, respectivamente. Tabela 1 Composição química do aço SAE 1050 (% em peso). C Mn Si P S Fe 0,50 0,75 0,25 0,01 0,025 Balanço Tabela 2 Propriedades mecânicas do aço SAE Limite de escoamento (MPa) Limite de resistência (MPa) Alongamento (%) Barras de aço SAE 1050 foram pré-usinadas para obtenção de 8 amostras com comprimento total de 125 mm, diâmetro de 50 mm e três regiões de 30 mm (Figura 1), das quais foram usinados 16 segmentos (2 em cada amostra). Após a pré-usinagem, as amostras foram tratadas a 650 C por 2 horas e resfriadas no forno a fim de aliviar as tensões residuais pré-existentes. Na usinagem de cada segmento de 30 mm foram empregadas diferentes condições de corte e uma única velocidade de corte (Vc) de 390 m/min (Tabela 3). Foi usado um torno convencional Mascote Nardini, com insertos de metal duro convencional e wiper, do fabricante Kennametal, modelo TNMG FN KCP05 e TNMG FW KCP10, respectivamente, com ângulo de saída de 0º e recobrimento MTCVD TiCN-Al2O3. Cada condição de usinagem foi realizada com uma aresta de corte nova. Foi utilizado fluido de corte emulsionável Quimatic, para ambas as formas de aplicação: jorro e MQL. Figura 1: Amostra preparada para usinagem (Unidade: mm) 6106

4 Tabela 3 Condições de corte utilizadas. Amostras Insertos Aplicação de fluido de corte Avanço - ƒ (mm/rev) Profundidade de corte ap (mm) A B Convencional Jorro (2,5 L/min) C Convencional MQL D (100 ml/h) E Convencional Jorro F (2,5 L/min) G Convencional MQL H (100 ml/h) I Convencional Jorro J (2,5 L/min) K Convencional MQL L (100 ml/h) M Convencional Jorro N (2,5 L/min) O Convencional MQL P (100 ml/h) 0,053 0,4 0,15 0,4 0,053 1,2 0,15 1,2 As tensões residuais foram medidas por difração de raios-x usando um analisador de tensões XStress3000 (Figura 2a), pelo método do sen²ψ, com radiação CrKα (λ= 2,29092 Å), difratando o plano (211) da ferrita. A Figura 2b apresenta os pontos onde as tensões residuais superficiais foram medidas, nas direções longitudinal (L) e tangencial (T) ao sentido do avanço da ferramenta de corte. Figura 2: Analisador de tensões (1- Tubo de raios-x; 2- Goniômetro; 3- Software;4-Amostra analisada); Locais e pontos de medição das tensões residuais nas amostras. 6107

5 Foram realizadas vinte medições do sinal de ruído magnético Barkhausen (RMB) em cada um dos pontos ilustrados na Figura 2b, através de um analisador analógico modelo Rollscan 200-1, da marca Stresstech Group e cedido ao LAT/UFF pela empresa ZAF Sistemas Analíticos. Foi aplicado um ganho para amplificação do sinal de 0,4 V e uma amplitude de magnetização de excitação de 11,4 Vpp (Volts de pico a pico). A rugosidade das amostras foi medida por um rugosímetro da marca Taylor Hobson Brasil, modelo Surtronic25, cedido pelo LMDC/UFF. A análise da rugosidade média (Ra) foi realizada em dez regiões distintas de cada amostra no sentido de avanço da ferramenta de corte. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados e o erro associado a cada medida das tensões residuais (TR) superficiais nas direções longitudinal (L) e tangencial (T), são apresentados nas Figuras 3 e 4. A Figura 3a apresenta as tensões residuais nas amostras usinadas com avanço ƒ = 0,053 mm/rev e profundidade de corte ap = 0,4 mm, enquanto na Figura 3b estão as tensões nas amostras usinadas com maior avanço ƒ = 0,15 mm/rev e a mesma profundidade de corte (ap = 0,4 mm). Figura 3: Tensões residuais das amostras usinadas com ap = 0,4 mm e ƒ = 0,053 mm/rev; 0,15 mm/rev. 6108

6 Analisando os resultados apresentados na Figura 3 é possível perceber a significante influência do aumento do avanço nas tensões residuais geradas no torneamento cilíndrico, mais significativamente na direção longitudinal. Considerações similares podem ser feitas ao analisar a Figura 4a, que mostra as tensões residuais na usinagem com avanço ƒ = 0,053 mm/rev e profundidade de corte ap = 1,2 mm, e a Figura 4b onde estão as tensões nas amostras usinadas com maior avanço ƒ = 0,15 mm/rev e a mesma profundidade de corte (ap = 1,2 mm). Estas condições mais severas proporcionaram tensões residuais de magnitudes mais elevadas do que as apresentadas na Figura 3. Figura 4: Tensões residuais das amostras usinadas com ap = 1,2 mm e ƒ = 0,053 mm/rev; 0,15 mm/rev. Foram ainda gerados gráficos (Figuras 5, 6, 7 e 8), pelo software OriginPro 8, possibilitando uma análise qualitativa do comportamento das tensões residuais no sentido longitudinal e tangencial para a combinação de todas as condições de corte empregadas. 6109

7 Figura 5: Tensões residuais com inserto convencional + jorro: L T. Figura 6: Tensões residuais com inserto wiper + jorro: L T. Figura 7: Tensões residuais com inserto convencional + MQL: L T. 6110

8 Figura 8: Tensões residuais com inserto wiper + MQL: L T. Os resultados mostram que a magnitude das tensões residuais no torneamento aumentou com o acréscimo do avanço, sendo coerente com o trabalho de Nasr (6). Em relação à geometria da ferramenta de corte, verificou-se que os insertos wiper geraram tensões residuais um pouco mais elevadas em relação aos insertos convencionais para as mesmas condições de corte. Os resultados mostraram que as amostras usinadas com MQL apresentaram tensões residuais um pouco mais elevadas do que àquelas que utilizaram jorro. Verificou-se também que a variação da profundidade de corte não influenciou de maneira significativa a magnitude das tensões residuais encontradas, o que foi constatado por Navas et al. (7). É possível perceber que o maior valor de tensão residual encontrado (710 MPa), de natureza trativa, ocorreu na direção tangencial. Esse valor é correspondente à configuração de corte mais severa adotada no trabalho, ou seja, com avanço (0,15 mm/rev) e profundidade de corte (1,2 mm) elevados, utilizando inserto wiper e MQL como modo de aplicação de fluido de corte. Em todas as condições de corte as tensões residuais tangenciais apresentaram maiores magnitudes em relação às tensões residuais longitudinais, o que pode também ser observado pelos pesquisadores Huang e Yang (8). Empregando os resultados dos sinais de ruído magnético Barkhausen obtidos, juntamente com as tensões residuais medidas por difração de raios-x, foram realizadas diferentes curvas de calibração (Figura 9) para as direções longitudinal e tangencial, através do software CurveExpert. 6111

9 Tensões Residuais (MPa) S = r = Tensões Residuais (MPa) S = r = RMB (mv) RMB (mv) Figura 9: Curvas de calibração para as direções: longitudinal; tangencial. O objetivo foi correlacionar os sinais de RMB, dados em mv, com as tensões residuais, dadas em MPa, resultando em equações, (A) e (B), para a determinação de tensões residuais por RMB para as direções longitudinal e tangencial, respectivamente. yy = aa + bbbb + ccxx 2 (A) Sendo: a = -794,82 ; b = 29,93 e c = -0,20 yy = aa + bbbb (B) Sendo: a = -968,49 ; b = 16,63 Observa-se que as curvas obtidas correspondem ao comportamento esperado para a correlação entre o ruído magnético Barkhausen e as tensões residuais. A Figura 9 mostra que a intensidade do sinal de RMB aumenta à medida que as tensões residuais se tornam mais trativas (9). Os resultados de rugosidade média (Ra) obtida em todas as amostras são apresentados na Figura 10, onde é possível perceber que o aumento do avanço, quando utilizados insertos convencionais, resulta em um aumento significativo da rugosidade. Porém, quando emprega-se o inserto wiper com valor elevado de avanço (0,15 mm/rev), o acabamento superficial é melhorado, visto que as amostras F e H, usinadas com ap = 0,4 mm e inserto wiper, apresentaram 0,54 µm e 0,44 µm como valores de Ra, respectivamente, enquanto as amostras E e G, que foram usinadas com inserto convencional, apresentaram valores de Ra de 1,50 µm e 1,34 µm, respectivamente; pode-se perceber que esse comportamento também se repete nas amostras usinadas com avanço elevado e ap = 1,2 mm. 6112

10 Figura 10: Distribuição de Ra: para ap = 0,4 mm; para ap = 1,2 mm. Pela análise dos resultados fica evidente que o emprego dos insertos wiper é vantajoso em relação aos insertos convencionais quando usados avanços mais elevados, pois não há diferença significativa de acabamento superficial fornecido pelos insertos convencionais e wiper com menores avanços (0,053 mm/rev). Este resultado é corroborado pelo trabalho de Correia e Davim (10). O aumento da profundidade de corte não representou grandes diferenças nos valores obtidos para os insertos convencionais e wiper. CONCLUSÕES O presente trabalho, no qual foram avaliadas as tensões residuais e a rugosidade no torneamento do aço SAE 1050 com diferentes regimes de corte, permite as seguintes conclusões: 1. Com o uso de maior avanço, tensões residuais trativas mais elevadas foram geradas em ambas as direções, podendo este ser considerado o parâmetro mais importante para o controle das tensões residuais no torneamento. 2. Os sinais de RMB foram mais intensos nas amostras que apresentaram tensões residuais trativas de maiores magnitudes. 3. Os resultados obtidos por RMB foram aderentes aos resultados verificados por difração de raios-x. 6113

11 4. O avanço mais elevado representou valores de rugosidade maiores quando foram usados insertos convencionais, porém o emprego de inserto wiper associado com avanço elevado provocou melhoria substancial do acabamento superficial. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à FAPERJ pelo suporte financeiro, que permitiu a realização do presente trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1) CALLISTER, W.D. Materials Science and Engineering: An introduction. 7ª edição, John Wiley e Sons, pp. 261, ) EL-AXIR, M.H.; ELKHABEERY, M.M.; OKASHA, M.M. Modeling and Parameter Optimization for Surface Roughness and Residual Stress in Dry Turning Process. Engineering, Technology & Applied Science Research. v. 7, ) NOBRE, J.P., & OUTEIRO, J.C. Evaluating Residual Stresses Induced by Drilling of Ti-6Al-4V Alloy by Using an Experimental Numerical Methodology. 15th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations ) CINDRA FONSECA, M. P. Evolução do estado de tensões residuais em juntas soldadas de tubulação durante ciclos de fadiga Tese (Doutorado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais) - COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro. 5) D`ADDONA, D.M., & RAYKAR, S.J. Analysis of surface roughness in hard turning using wiper geometry. 48th CIRP Conference on Manufacturing Systems. 41, ) NASR, M.N.A. Effect of Sequential Cuts on Residual Stresses when Orthogonal Cutting Steel AISI th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations. 31, ) NAVAS, V. G., GONZALO, O., & BENGOETXEA. Effect of Cutting Parameters in the Surface Residual Stresses generated by turning in AISI 4340 steel. International Journal of Machine Tool & Manufacture. 61,

12 8) HUANG, K. & YANG, WENYU. Analytical modeling of residual stress formation in workpiece material due to cutting. International Journal of Mechanical Sciences. 114, ) SORSA A., SANTA-AHO, S., WARTLAUNEN, J., SUOMINEM L., VIPPOLA M., LEIVISKA, K., Effect of Shot Peening Parameters to Residual Stress Profiles and Barkhausen Noise, Journal of Nondestructive Evaluation, v. 37, ) CORREIA, A.E. & DAVIM, J.P. Surface roughness measurement in turning carbon steel AISI 1045 using wiper inserts. Journal of Measurement. 44, BEHAVIOR OF THE RESIDUAL STRESSES AND SURFACE ROUGHNESS IN TURNING OF SAE 1050 STEEL USING CONVENTIONAL AND WIPER CUTTING TOOLS ABSTRACT The tool steels are used in dies and structural components in the metal-mechanical industry. Like other manufacturing processes, machining introduces residual stresses into components. Depending on the nature, distribution and magnitude, the residual stresses may be beneficial or deleterious, influencing the fatigue life of machined components, as the surface quality, characterized by the average roughness. It was studied in this work, the behavior of residual stresses and roughness in SAE 1050 tool steel, with cutting tool of different geometries and different cutting conditions. The residual stresses were measured by X-ray diffraction using the sin 2 ψ method and correlated with magnetic Barkhausen noise. The results indicated that the turning generated residual stresses of larger magnitudes in tangential direction. It has been noted that a better surface finish can be obtained by employing wiper cutting tools with high feed rates. Key-words: turning, residual stresses, X-ray diffraction, surface roughness, SAE 1050 steel. 6115