INFLUENCIAS DAS CONDIÇÕES DE USINAGEM NA INTEGRIDADE SUPERFICIAL DO AÇO INOXIDÁVEL AERONÁUTICO 15-5PH. Luis Antonio Pereira, lap@fem.unicamp.br¹ Amauri Hassui, ahassui@fem.unicamp.br¹ Aristides Magri, arimagri@fem.unicamp.br¹ ¹UNICAMP, Laboratório de Usinagem dos Materiais, Departamento de Engenharia de Manufatura e de Materiais da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas, Rua Mendeleyev 200, CEP: 13083-860, Campinas, SP, Brasil. Resumo: O processo de fresamento consiste em operação na qual a peça a ser usinada é alimentada contra uma ferramenta cilíndrica rotativa com várias arestas de corte. No processo de usinagem o momento do corte pode ser definido como crítico, pois neste momento as variações de temperatura e força resultam em danos nas superfícies das peças, podendo comprometer o desempenho da peça. Com isso, vários estudos buscam alternativas que visam explicar as ocorrências de falhas das peças, esse campo é conhecido também como Integridade Superficial. Sendo assim este trabalho tem por objetivo avaliar as influências das condições de usinagem na integridade de superficial do aço inoxidável 15-5PH. Para isso foram feitos ensaios de fresamento utilizando fresa de facear com pastilhas redondas, geometria neutra e positiva, novas e em fim de vida. O fresamento foi o discordante, com dois níveis de avanço por dente (fz = 0,15 e 0,25 mm/dente) e dois de velocidade de corte (v c = 170 e 195 m/min). Posteriormente foi avaliada a rugosidade 3D, dureza e microscopia eletrônica da superfície e subsuperfície. Os resultados possibilitaram avaliar a influência das condições de usinagem na integridade da superfície gerada. Palavras-chave: usinagem, fresamento, aço inoxidável 15-5 PH, rugosidade 3D, integridade superficial 1 - INTRODUÇÃO. O fresamento é um dos processos de usinagem mais empregados na indústria atual, devido a aspectos como alta taxa de remoção de material e produção de formas com boa precisão dimensional e geométrica, além de ser um processo de elevada flexibilidade, podendo ser utilizado na fabricação de superfícies planas, contornos, ranhuras e cavidades, entre outras [Marcelino et al., 2004]. No processo de usinagem o corte pode ser definido como crítico, pois neste momento as variações de temperatura e força resultam em danos nas superfícies das peças, podendo comprometer o desempenho em trabalho da peça. Com isso, vários estudos buscam alternativas que visam explicar as ocorrências de falhas das peças, esse campo é conhecido também como Integridade Superficial. Integridade da superfície é a soma dos elementos que descrevem todas as condições existentes sobre a superfície de uma peça acabada. A superfície gerada pelo processo de usinagem, seja ele torneamento, fresamento ou outro processo de remoção de material sofre diversos mecanismos tais 5901
como: deformação plástica, ruptura, recuperação elástica, geração de calor, vibração, tensões residuais, reações químicas, etc. A ação de todos esses mecanismos (em conjunto ou não) pode ter efeitos diferentes na nova superfície. As superfícies usinadas possuem características subdividas em diferentes níveis, rugosidade, ondulações, marcas de avanço e falhas. Assim, o termo integridade superficial é usado para descrever a qualidade de uma superfície e, portanto, engloba um grande número de alterações sofridas por ela [MACHADO et al., 2009]. 2- PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS O material utilizado neste trabalho foi a liga de aço inoxidável martensítico endurecível por precipitação UNS S15500 (15-5PH), solubilizado (condição A conforme norma SAE-AMS5862), com uma dureza de 286 392 Vickers [HV]. Este aço apresenta como principais elementos de liga em sua composição o cromo (15% em massa) e o níquel (5% em massa), o que lhe dá o código 15-5, além de poder passar pelo tratamento térmico de endurecimento por precipitação, o que lhe dá o código PH. [AK STEEL 2014]. A tabela 01, demonstra a composição química do aço inoxidável martensítico 15-5PH. [Bernardelli, at al 2006] Os equipamentos utilizados foram um centro de usinagem vertical marca Mori Seiki modelo SV-40 do Departamento de Engenharia de Fabricação da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP, e um microscópio Óptico Noephot 32 do (DEMA) e Microscópio OLS4100 do Núcleo de Manufatura Avançada na EESC-USP. Os ensaios foram realizados com ferramentas e insertos fornecidos pela empresa Sandvik Coromant. Fresa: de topo Sandvik código R300-25T12-10L, com diâmetro de 25 mm, geometria neutra, fixação roscada no cone 392.140T-40 12 058 (figura 1), com 2 insertos intercambiáveis redondos, indicada para altos avanços e condição de semi-acabamento. Figura 1. Fresa de Topo Código Sandvik R300-25t12-10l 5902
Insertos: de metal duro, redondos, códigos Sandvik R300-1032, sendo testadas duas classes e duas geometrias diferentes, novas e em fim de vida, conforme apresentado na figura 2. Figura 2. Características dos insertos de metal duro utilizados no trabalho Para a realização dos ensaios foi utilizado o fresamento discordante, com dois níveis de avanço por dente (f z = 0,15 e 0,25 mm/dente) e dois de velocidade de corte (v c = 170 e 195 m/min), totalizando 14 condições. Utilizando ferramentas novas e em fim de vida. Todos os ensaios realizados utilizaram fluido de corte miscível em água com base de óleo mineral Blaser B-Cool 655 com concentração média de 7%. A figura 3, ilustra a montagem experimental. Figura 3. Montagem experimental. 5903
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES Com os valores obtidos da rugosidade 3D, foi possível avaliar os parâmetros de resposta obtidos. [CLEITON, 2013] Comenta que os parâmetros de amplitude "S", são diferentes do parâmetro de amplitude "R", pois considera o relevo de toda a área registrada pelo microscópio 3D. O parâmetro de amplitude "S" indica desvios significativos nas características de textura, sendo aplicado na análise de superfícies usinadas. As figuras 4a e 4b, apresentam os valores obtidos da rugosidade, utilizando ferramentas novas e fim de vidas. Figura 4a. Ferramentas novas. Figura 4b. Ferramentas em fim de vida. No ensaio de usinagem foi possível visualizar os defeitos gerados pela ferramenta, utilizando ferramentas novas e em fim de vida. Nessa primeira análise podese observar que ocorreu repasse da ferramenta como apresentado na figura 5a. Esse fenômeno decorre do fato de que f z >r e. Na figura 5b, ocorreu repasse da ferramenta e vibração. [Diniz et al. 2008; Sandvik, 2011], comenta que no fresamento discordante é propício o excessivo atrito, na entrada do dente, com consequente deformação plástica nessa região da peça. No início da operação de cada dente, a componente da força de usinagem perpendicular ao avanço tende a afastar a ferramenta da peça enquanto que, no fim da operação de um dente, a aresta cortante puxa a peça para o sentido inverso. Essa alternância da componente de força de usinagem produz vibrações indesejáveis, que prejudicam o acabamento superficial e a tolerância da peça fresada. [Diniz et al. 2008] descreve também que a fixação e/ou a rigidez deficiente da peça podem gerar vibrações que são produzidas na superfície da peça. 5904
Figura 5a. Imagem do Neophot32 Ferramenta nova. Figura 5b. Imagem do Neophot32 Ferramenta fim de vida. A figura 6 traz 04 exemplos de topografia 3D, nas imagens geradas pode-se avaliar a topografia das superfícies fresadas, utilizando ferramentas novas e em fim de vida. As regiões em vermelho são os picos mais altos chamados de Skewness (Ssk) e as regiões em azul são os vales mais profundos chamados de Kurtosis (Sku). Figura 06a - Ensaio 1 M-MM 2040 (Nova) Vc=170m/min e Fz= 0.15 m/dente Figura 06b - Ensaio 08 M-MM 2040 (Fim de vida) Vc=170m/min e Fz= 0.15 m/dente Figura 06c - Ensaio 07 E-MM S30T (Nova) Vc=195m/min e Fz= 0.25 m/dente Figura 06d - Ensaio 14 E-MM S30T (Fim de vida) Vc=195m/min e Fz= 0.25 m/dente 5905
4- CONCLUSÃO Foi possível verificar as alterações decorrentes no processo de fresamento, utilizando fresa de facear com pastilhas redondas, geometria neutra e positiva, novas e em fim de vida. As ferramentas novas e fim de vida tiveram os valores da rugosidade Sa bem próximas, devido ao desbalanceamento causado pelo sistema fixação e ferramenta, ocasionando vibrações e prejudicando a superfície usinada. O repasse da ferramenta gerados na integridade superficial é decorrente de quando f z >r e. A ferramenta fim de vida causa aumento dos parâmetros da rugosidade, bem como nas propriedades térmicas e mecânicas do material. Para os parâmetros de rugosidade, skewness e kurtosis, foi possível evidenciar os efeitos distintos dos parâmetros de usinagem no acabamento superficial, onde a força de avanço influencia diretamente na superfície usinada. A deflexão da ferramenta que se encontra em balanço no fresamento pode causar variações na usinagem e prejudicando assim o acabamento superficial. 5- REFERÊNCIAS Assis, C.L.F - Microfresamento de aços com grãos ultrafinos Tese (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e Área de Concentração em Manufatura - Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, 2013. AK STEEL, Stainless steel, 2014 Disponível em < http://www.aksteel.com/markets_products/stainless> Acesso em 11 de junho de 2014. Bernardelli, E.A.; Reisdofer; D.B.; Borges, P.C. - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) - Efeito da temperatura no tratamento concomitante de nitretação e envelhecimento a plasma do aço inoxidável martensítico 15-5 PH, 2006. (17 CIBEMAT) Suyama, D.I, Efeitos do fresamento com alta velocidade de corte na integridade superficial de aços ferriticos com grãos ultrafinos UNESP-Ilha Solteira 2010. Dissertação de Mestrado. Diniz, A.D.; Marcondes, F.C.; Coppini, N.L. Tecnologia da usinagem dos materiais. 6st Ed. São Paulo: Artliber, 2008. Marcelino, A. P.; Domingos, D. C.; Campos D. V.; Schroeter R. B. Medição e simulação dos esforços de usinagem no fresamento de topo reto de ligas de alumínio tratável termicamente 6061. In: Congresso Estudantil De Engenharia Mecânica - Creem, 11., 2004, Nova Friburgo. Anais... Nova Friburgo: Instituto Politécnico da Universidade do Estado do Rio de Janeiro, 2004. 5906
Machado, A. R. et al. Formação de cavacos. In: Teoria da usinagem dos materiais. São Paulo: Edgard Blücher, 2009. p. 41-76.v Sandvik Coromant, Tool Wear. In. Modern Metal Cutting. 1st English ed. Suíça: Tofters Tryckery AB, 2011. 5907