ANÁLISE DE PARÂMETROS DE USINAGEM NAS TENSÕES ATUANTES NA ZONA DE CISALHAMENTO PRIMÁRIA

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1 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7 th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING 15 a 19 de abril de 2013 Penedo, Itatiaia RJ - Brasil April 15 th to 19 th, 2013 Penedo, Itatiaia RJ Brazil ANÁLISE DE PARÂMETROS DE USINAGEM NAS TENSÕES ATUANTES NA ZONA DE CISALHAMENTO PRIMÁRIA Patrícia Alves Barbosa, barbosa_patricia@hotmail.com 1 Celso Antônio Barbosa, celso.barbosa@villaresmetals.com.br 2 Izabel Fernanda Machado, machadoi@usp.br 1 1 Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos, Laboratório de Fenômenos de Superfície Av. Prof. Mello Moraes, 2231, São Paulo/SP Brasil 2 Villares Metals S. A. Rua Alfredo Dumont Villares, 155, Sumaré/SP Brasil Resumo: Os aços inoxidáveis, em geral, são caracterizados como materiais de baixa usinabilidade, em razão do elevado grau de encruamento e baixa condutividade térmica durante a usinagem. A investigação de fatores relacionados com o material da peça tais como composição química, microestrutura, dureza, características de tensão e deformação é de suma importância devido a grande influência destas variáveis sobre a usinabilidade dos metais. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho é comparar duas classes de aços inoxidáveis com diferentes microestruturas: austenítico () e martensítico (VSM13); através da análise da morfologia do cavaco e das tensões atuantes no plano de cisalhamento primário, obtidas a partir de ensaios de torneamento executados segundo um planejamento fatorial 2³, variando-se as condições de corte (Vc e f) e material de trabalho. Os resultados mostraram que na formação do cavaco, especificamente na zona de cisalhamento primária, o efeito do material é maior do que o efeito das condições de corte, principalmente no que diz respeito à tensão normal ao plano de cisalhamento. Palavras-chave: usinabilidade, aço inoxidável, morfologia do cavaco, tensões, plano cisalhamento primário. 1. INTRODUÇÃO A usinagem é um dos processos mais antigos de transformação de matéria-prima para obtenção de componentes na indústria de metal-mecânica, e mais de cem anos de pesquisas vêm sendo conduzida nesse campo (Astakhov, 1999a; Childs et al., 2000; Dixit et al., 2011). Porém, muito dessas investigações está focada na otimização das condições econômicas de corte, precisão dimensional e acabamento da superfície através geração de banco de dados utilizando-se resultados de observações obtidas por métodos caros de tentativa e erro (Childs et.al, 2000; Astakhov e Shevets, 2001). No entanto, pesquisas dedicadas ao estudo dos mecanismos fundamentais foram de certa forma abandonadas devido à dificuldade de compreensão do comportamento do material sob condições diferenciadas de deformação durante o corte (Astakhov, 1999a; Astakhov, 1999b). Recentemente, o interesse sobre fundamentos da teoria da usinagem ressurgiu pela necessidade de obtenção de teorias unificadas que sustentassem todos os tipos de corte na tentativa de prever o comportamento dos materiais em uma grande faixa de deformações, taxas de deformação, temperatura e carregamentos complexos, as quais podem contribuir para a preparação e formulação de modelos de usinagem para serem utilizados no desenvolvimento e melhoramento de programas de elementos finitos para simulações do processo (Chang, 2007; Guo, Wena e Horstemeyerb, 2005; Wang et al., 2003; Childs et al., 2000; Meyers, 1994). Para tanto, a base para uma melhor compreensão dos processos de usinagem está relacionada com o estudo da formação do cavaco, o qual se processa em elevadíssimas taxas de deformação dificultando o acesso experimental da região de corte. Para lidar com essa situação complexa, uma abordagem sobre o comportamento de diferentes materiais durante a usinagem, através da investigação de fatores relacionados com a composição química, microestrutura, dureza, características de tensão e deformação é de suma importância devido a grande influência destas variáveis sobre a usinabilidade dos metais (Ferraresi, 2011). Os aços inoxidáveis, que em geral são caracterizados como materiais de baixa usinabilidade, em consequência do elevado coeficiente de encruamento e baixa condutividade térmica durante a usinagem (Trent e Wright, 2000; Machado et. al., 2011), podem ajudar no estudo em razão da morfologia segmentada de seus cavacos facilitando investigações da formação do cavaco pós-processo. Dessa forma, identificar quais parâmetros, tanto microestruturais quanto de processo, que influenciam a formação do cavaco de diferentes classes de aços inoxidáveis são úteis para iniciar uma investigação mais aprofundada sobre o comportamento dos materiais durante a usinagem, visando o desenvolvimento de modelos de

2 corte que poderão ser aplicados no melhoramento das técnicas de usinagem relacionadas à otimização do processo e a inovação de materiais e ferramentas (Guo, 2003). Nesse sentido, o objetivo deste trabalho é comparar a duas classes de aços inoxidáveis com diferentes microestruturas: austenítico () e martensítico (VSM13); através da análise da morfologia do cavaco e das tensões atuantes no plano de cisalhamento primário, obtidas a partir de ensaios de torneamento executados segundo um planejamento fatorial 2³, variando-se as condições de corte (Vc e f) e material de trabalho. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Material de Trabalho e Ferramenta Foram utilizadas barras cilíndricas de duas classes de aços inoxidáveis, (austenítico) e VSM13 (martensítico), fornecidos pela Villares Metals S.A. A Tabela (1) mostra a composição química característica dos materiais de trabalho. Tabela 1. Composição química dos aços inoxidáveis. Classificação Villares Metals (ABNT/AISI) (304) 0,08 1,00 2,00 0,045 0,03 Solubilizado VSM13* (SuperCr) Temperado e Revenido (Villares Metals, 2011) (*Barbosa, 2009) Composição Química Villares Metals C Si Mn P S Cr Ni Mo 18,00 20,00 9,00 11,00 0, ,00 5,50 2,00 A ferramenta de corte utilizada correspondeu a um inserto triangular de metal duro, classe P, sem revestimento, com especificação ISO TPUN , fabricada pela Brassinter, a qual foi montada num porta-ferramenta CTGPR 2525 M16 da Sandvik, conferindo um ângulo de inclinação (λ s ) de 0, ângulo de saída positivo (γ 0 ) de 6 e ângulo de posição (χ r ) de 91. A Figura (1) apresenta a especificação e a configuração da ferramenta e porta-ferramenta utilizados. - Figura 1. Configuração da Ferramenta e porta-ferramenta (Brassinter, 2009, Sandvik, 2011) Procedimento Experimental Os ensaios de torneamento foram executados a seco em um torno convencional S-30 da Romi, com 8 cv de potência total no motor principal e rotação máxima no eixo-árvore de 1800 rpm. A configuração dos ensaios foi obtida através de um planejamento estatístico fatorial completo 2 3, consistindo em duas variáveis quantitativas, velocidade de corte (Vc) e avanço (f), e uma variável qualitativa, material de trabalho, totalizando oito ensaios como apresentado na Tab. (2). A profundidade de corte (a p ) de 2 mm foi mantida constante. A velocidade de corte foi variada através de diferentes diâmetros das barras (70 e 45 mm), mantendo a rotação fixa em 710 rpm.

3 Tabela 2. Configuração dos ensaios de torneamento. Ensaio Material f [mm/volta] Vc [m/min] 1 0, ,14 2 VSM13 0, ,14 3 0, ,14 4 VSM13 0, ,14 5 0, ,37 6 VSM13 0, ,37 7 0, ,37 8 VSM13 0, ,37 Os cavacos foram caracterizados através de microscópio óptico Olympus BX60M e microscópio eletrônico de varredura (MEV) Quanta 600 FEG. As tensões atuantes no plano de cisalhamento primário foram calculadas a partir de relações geométricas obtidas do círculo de Merchant (Fig. (2)) e definidas pelas Eqs. (1) e (2) (Trent e Wright, 2000; Altintas, 2006). Figura 2. Círculo de Merchant (Trent e Wright, 2000). (1) (2) Onde, τ S é a tensão de cisalhamento e σ Z é tensão normal, com a força de cisalhamento (F Z ) sendo estimada pela Eq. (3), e a força normal ao plano de cisalhamento (F NZ ) determinada através da Eq. (4). cos ø sin ø (3) sin ø cos ø (4) Onde, F c compreende à força de corte, F f é a força de avanço, que foram monitoradas com o auxílio de um dinamômetro piezoelétrico modelo 9265B/ 9441B, condicionador de sinais 5070A e um software analisador de sinais DynoWare 2825A1-2, da Kistler. A Figura (3) mostra a configuração esquemática da montagem do sistema de aquisição de força.

4 Figura 3. Montagem esquemática do sistema de aquisição de força. O ângulo de cisalhamento (Ø) foi obtido através da Eq. (5) e pelo cálculo do grau de recalque (Rc) na Eq. (6), que por sua vez depende da espessura do cavaco (h ) e da espessura de corte (h) dado pela Eq. (7). h foi determinada a partir da medição da espessura de dez regiões aleatórias ao longo do comprimento do cavaco produzido durante a usinagem utilizando-se um micrômetro externo digital com ponta esférica da Digimess com faixa de medição de 0 a 25 mm e resolução de 0,001 mm. φ (5) (6) (7) Por fim, a área do plano de cisalhamento (A S ) pôde ser estimada a partir da Eq. (8). ø (8) Onde, b corresponde à largura de corte dada pela Eq. (9). (9) Sendo χ r o ângulo de posição da ferramenta de corte. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A caracterização dos cavacos é apresentada na da Fig. (4), que mostra imagens de microscopia óptica, Fig. 4 (a) e (b), tanto da microestrutura característica dos materiais de trabalho quanto dos respectivos cavacos, além de imagens de microscopia eletrônica de varredura, Fig.4 (c) e (d), que mostram a superfície livre do cavaco e seção longitudinal dos mesmos, dando uma visão global representativa da formação dos cavacos dos aços inoxidáveis avaliados. As imagens evidenciaram cavacos do tipo segmentado, porém se observou um cisalhamento adiabático muito mais pronunciado no aço inoxidável em relação ao VSM13. Este resultado está de acordo com Shaw (2005) que atesta que as propriedades do material, principalmente a dureza e fragilidade, controlam a formação deste tipo de cavaco, mostrando que materiais com menores durezas, como é o caso do aço inoxidável austenítico com dureza média de 140,6 HV30, tende a formar cavacos com dentes de serra mais salientes do que materiais com maiores durezas, como o aço inoxidável martensítico (276,4 HV30). Além disso, as velocidades de corte utilizadas podem não ter sido suficientes para se atingir o limite crítico para o cisalhamento termoplástico catastrófico do VSM13.

5 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 15 a 19 de Abril de Penedo, Itatiaia - RJ Figura 4. Caracterização dos aços inoxidáveis e seus respectivos cavacos: (a) MO dos materiais de trabalho; (b) MO da seção longitudinal dos cavacos; (c) MEV da superfície livre dos cavacos e (d) MEV da seção longitudinal dos cavacos para Vc=156,14 m/min e f=0,428 mm/volta. A Tabela (3) apresenta os valores das forças de corte e de avanço médias, bem como as espessuras médias dos cavacos juntamente com as tensões de cisalhamento e normal ao plano de cisalhamento determinadas. Tabela 2. Resultados das forças de corte e avanço, espessura do cavaco e tensões de cisalhamento e normal ao plano de cisalhamento em função das condições de usinagem. Material f [mm/volta] Vc [m/min] Fc [N] Ff [N] h' [mm] τs [MPa] σz [MPa] 0, ,14 973,7±31,0 489,9±31,8 0,470±0, ,1 618,4 VSM13 0, ,14 968,2±11,7 545,3±9,6 0,376±0, ,2 838,4 0, , ,1±72,3 981,9±87,4 0,862±0, ,7 658,7 VSM13 0, , ,0±25,4 877,4±164,1 0,688±0, ,5 816,2 0, , ,2±55,9 587,1±39,2 0,511±0, ,8 640,7 VSM13 0, ,37 998,7±18,5 642,2±16,9 0,381±0, ,5 912,9 0, , ,9±84,7 825,1±89,2 0,909±0, ,3 592,5 VSM13 0, , ,0±34,6 1022,6±22,9 0,739±0, ,6 809,9 As respostas das tensões atuantes na zona de cisalhamento primário foram analisadas estatisticamente para um intervalo de confiança de 95% e 5% de nível de significância. As Figuras (5) e (7) mostram gráficos de Pareto, nos quais podem ser observadas as variáveis significativas juntamente com os seus respectivos efeitos sobre as respostas. Os resultados da tensão normal ao plano de cisalhamento mostraram diferença significativa entre as classes de aços inoxidáveis (Fig.(5)), indicando uma alteração no comportamento do aço VSM13 em relação ao, o que ficou evidenciado na morfologia do cavaco apresentada na Fig. (4), fazendo com que a resposta de σz aumentasse, em média, cerca de 217 MPa com a mudança de uma microestrutura austenítica para uma martensítica. O avanço e a interação entre as variáveis também mostraram um pequeno efeito significativo na resposta, não ultrapassando 20% do efeito principal do material. A influência das variáveis significativas sobre σz é mostrada na Fig. (6), confirmando o maior efeito do material com relação às condições de corte. Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2013

6 Figura 5. Pareto de efeitos padronizados da análise de significância do planejamento fatorial completo 2³ em relação à tensão normal ao plano de cisalhamento (σ Z). Figura 6. Tensão normal ao plano de cisalhamento (σ Z) em função das condições de corte para as respectivas classes de aços inoxidáveis. A análise dos resultados de tensão de cisalhamento, no entanto, mostrou que somente a interação entre o material com a velocidade de corte influenciaram significativamente as respostas, como pode ser observado na Fig. (7) e também na Fig. (8), que mostra o efeito da velocidade de corte sobre τ S para as classes de aços inoxidáveis investigadas, mostrando um aumento da tensão necessária pra cisalhar o VSM13 com a velocidade de corte. Por outro lado, essa tensão diminui com Vc para o indicando um amolecimento e devido ao aumento de temperatura pela maior velocidade empregada no torneamento facilitando o corte, o que não acontece com o martensítico.

7 Figura 7. Pareto de efeitos padronizados da análise de significância do planejamento fatorial completo 2³ em relação à tensão cisalhamento (τ S). Figura 8. Tensão de cisalhamento (τ S) em função velocidade de corte para as respectivas classes de aços inoxidáveis. 4. CONCLUSÕES Os resultados apresentados mostraram que na formação do cavaco, especificamente na zona de cisalhamento primária, o efeito do material é mais efetivo que o efeito das condições de corte, principalmente no que diz respeito à tensão normal ao plano de cisalhamento. Portanto, os resultados mostraram que para uma análise mais apurada da relação entre a usinabilidade e a microestrutura do material o fator mais importante a ser considerado na investigação é σ Z. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem às agências de fomento: CNPq (141559/ e /2009-9) e FAPESP (2010/ ), e à Villares Metals S.A. pelo suporte ao desenvolvimento deste trabalho.

8 6. REFERÊNCIAS Altintas, Y.,2006, Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tools Vibrations, and CNC Design, Cambridge University Press, New York, 286p. Astakhov, V.P., 1999a, A treatise on material characterization in the metal cutting process. Part 1: cutting as the fracture of workpiece material, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 96, pp Astakhov, V.P., 1999b, A treatise on material characterization in the metal cutting process. Part 2: A novel approach and experimental verification, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 96, pp Astakhov, V. and Shvets, S.V., 2001, A novel approach to operating force evaluation in high strain rate metaldeforming technological processes, Journal of Material Processing Technology, V.117, pp Barbosa, C., 2009, Revestimento de Poços O Desafio da Exploração em Águas Profundas e a Contribuição das LRCs Ligas Resistentes à Corrosão, Inox, V.31, pp Brassinter, 2009, Pastilhas de Torneamento, Catálogo de especificação de ferramentas de corte, 24p., disponível em: < >. Acesso em: 9 out Chang, C. S., 2007, Predition of the cutting temperatures of stainless steel with chamfered main cutting edge tools, Journal of Materials Processing Technology, V.190, pp Childs, T.; Maekawa, K.; Obikawa, T.; Yamane, Y., 2000, Metal Machining: Theory and Applications, Ed. Arnold, London, 408p. Dixit, U.S, Joshi, S.N., Davim, J.P., 2011, Incorporation of material behavior in modeling of metal forming and machining processes: A review, Materials and Design, V.32, pp Ferraresi, D., 2011, Fundamentos da Usinagem dos Metais, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, Brasil, 751p. Guo,Y.B, 2003, An Integral Method to Determine the Mechanical Behavior of Materials in Metal Cutting, Journal of Materials Processing Technology, V.142, pp Guo,Y.B.; Wen, Q.; Horstemeyer, M.F., 2005, An Internal State Variable Plasticity-Based Approach to Determine Dynamic Loading History Effects on Material Property in Manufacturing Processes, International Journal of Mechanical Sciences, V.47, pp Machado, Á.R. ; Abrão, A.M. ; Coelho, R.T. ; da Silva, M.B., 2009, Teoria da Usinagem dos Materiais, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, Brasil, 371 p. Meyers, M.A., 1994, Dynamic Behavior of Materials, John Wiley & Sons, New York, 668p. Sandvik, 2012, Sandvik Coromant do Brasil, disponível em: < >. Acesso em: 11 fev Shaw, M.C., 2005, Metal Cutting Principles, Oxford University Press, New York, 594 p. Trent. E. M. and Wright, P.K., 2000, Metal Cutting, 4th Edition, Butterworths, London, 437 p. Villares Metals, 2009, Aços Inoxidáveis,. Catálogo de especificação, composição química, propriedades mecânicas e aplicações de aços inoxidáveis, 8p., disponível em:< > Acesso em 2 abr Wang, J.; Huang, C.Z.; Song, W.G., 2003, The effect of tool flank wear on the orthogonal cutting process and its practical implications, Journal of Materials Processing Technology, V. 142, pp DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

9 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7 th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING 15 a 19 de abril de 2013 Penedo, Itatiaia RJ - Brasil April 15 th to 19 th, 2013 Penedo, Itatiaia RJ Brazil ANALISYS OF MACHINING PARAMETRS ON THE STRESSES INTO PRIMARY SHEAR Patrícia Alves Barbosa, barbosa_patricia@hotmail.com 1 Celso Antônio Barbosa, celso.barbosa@villaresmetals.com.br 2 Izabel Fernanda Machado, machadoi@usp.br 1 1 Engineering School of the University of São Paulo, Department of Mechatronics Engineering and Mechanical System, Laboratory of Surface Phenomena, Zip Code , São Paulo, Brazil 2 Villares Metals S. A., Zip Code , Sumaré, Brazil Abstract. In general, Stainless steels are regardless as poor machinability materials, due to high work hardening and low thermal conductivity during machining. Investigation factors related to work material such as chemical composition, microstructure, hardness, and stress-strain characteristics, are very important. These variables have a great influence upon machinability. In the sense, the main of this work is to compare of two stainless steel grades with dissimilar microstructures: austenitic () and martensitic (VSM13). The comparison was done by chip morphology and stress into primary shear plane analysis as from turning trials performed following a full factorial design 2 3. The cutting speed, feed rate and work material were varied. The results showed that in the chip formation, specifically into primary shear plane, the material effect is more effective than cutting conditions effect, primarily with respect to the normal stress. Keywords: machinability, stainless steel, chip morphology, stress, primary shear plane RESPONSIBILITY NOTICE The authors are the only responsible for the printed material included in this paper.