Prismas topográficos – White Paper características e influencias
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INFLUENCIAS DAS CONDIÇÕES DE USINAGEM NA INTEGRIDADE
SUPERFICIAL DO AÇO INOXIDÁVEL AERONÁUTICO 15-5PH.
Luis Antonio Pereira, [email protected]¹
Amauri Hassui, [email protected]¹
Aristides Magri, [email protected]¹
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 (vc = 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
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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
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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 (fz = 0,15 e 0,25 mm/dente) e dois de velocidade de corte (vc
= 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.
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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 pode-
se observar que ocorreu repasse da ferramenta como apresentado na figura 5a. Esse
fenômeno decorre do fato de que fz>re.
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.
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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
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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 fz>re.
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.
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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.
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