A atual necessidade de diminuir as emissões de óxidos de carbono e de nitrogênio para o meio ambiente tem sido amplamente discutida pela sociedade. A crescente frota de veículos automotores confronta essa necessidade com a demanda da utilização de motores a combustão menos poluentes e com maior eficiência[1,24]. Uma das maneiras de se reduzir as emissões de óxidos nocivos é pelo uso de turbocompressor, que aumenta a eficiência da mistura ar-combustível ao gerar maior potência para o motor e, consequentemente, reduzir seu tamanho e consumo[29].

Porém, a alta temperatura de escape dos gases do motor requer a utilização de materiais com elevada resistência a cargas térmicas em regiões de maior aquecimento do turbo. As características dos aços inoxidáveis, como elevada resistência mecânica, à corrosão e à temperatura, fazem com que estes materiais sejam aptos para serem utilizados na fabricação do turbo[12].

A usinagem de aços inoxidáveis, em especial os austeníticos, é considerada difícil em virtude da sua alta ductilidade, elevada resistência à tração, baixa condutividade térmica, tendência ao encruamento e comportamento abrasivo do material. Geralmente, essas características levam a grandes forças de corte e temperaturas elevadas, altas taxas de desgaste, dificuldades com a quebra do cavaco, formação de arestas postiças de corte e pobre qualidade superficial[19,25]. A furação desse tipo de material acaba por potencializar esses problemas, pois o processo possui diversas particularidades que aumentam as severidades térmicas e mecânicas inerentes à usinagem.

Na furação, o corte de material é realizado internamente à peça, o que dificulta a remoção dos cavacos e concentra o calor gerado durante a usinagem na região de corte. Os efeitos mecânicos e térmicos, representados pelo cisalhamento do material, pelo atrito e pelos gradientes térmicos gerados na interface peça/ferramenta, ocasionam indesejáveis mudanças na integridade[17]. Uma região do material afetada prejudica o desempenho do componente em serviço, levando à possibilidade de falhas e empenamentos em serviço[14].

Diversos trabalhos se concentram no comportamento do desgaste de ferramentas. Lin[18] observou que, a baixos parâmetros de usinagem, o desgaste de flanco das ferramentas de aço rápido durante a furação era o principal tipo de desgaste. E que, com parâmetros moderados ou altos, apresentavam-se lascamentos na guia da ferramenta. No torneamento da liga de aço inoxidável X5 CrMnN 18 18, Paro et al[22] observaram que os mecanismos de desgaste apresentados foram abrasão e adesão, o que causou falha catastrófica na ponta da pastilha e lascamentos na aresta de corte principal. Além disso, foi detectada a presença de aresta postiça de corte, o que dificultou a usinabilidade do material.

Paro et al[22] verificaram, ainda, a integridade superficial do material após a usinagem. Os resultados obtidos apontam a presença de material aderido sobre a superfície, microtrincas e um perfil com elevados valores de dureza nas regiões próximas à borda do material, que decresce até atingir o material base, onde a espessura de camada endurecida fica em torno de 0,1 mm.

No alargamento de furos de um aço inoxidável austenítico AISI 316L, Belluco e Chiffre[2] observaram que os efeitos sobre a integridade na usinagem deste tipo de aço apresentam-se na forma de deformações plásticas sob a superfície. O perfil de dureza da superfície tem seu valor máximo próximo à borda, e decai à medida que se aproxima do material base.

Dolinsek[9] investigou o fenômeno de endurecimento por trabalho plástico, mecanismo que dificulta a usinagem de aços inoxidáveis. O autor relacionou a dificuldade apresentada ao grande trabalho plástico observado na furação deste tipo de material, especialmente pela influência da aresta de corte transversal, devido à deformação plástica em vez do cisalhamento – uma característica dessa região.

integridade de furos usinados em aço inoxidável, foram realizados ensaios experimentais para investigar a condição da integridade da superfície originada no processo de furação do aço inoxidável DIN 1.4848 com brocas de metal duro, sob diferentes velocidades de corte e diferentes condições de vida das ferramentas.

Metodologia

Em um centro de usinagem Spinner modelo MVC 610, que tem rotação máxima de 10.000 rpm e potência de 18,5 kW, os ensaios foram realizados no laboratório de Engenharia de Produção da Universidade de Ciências Aplicadas (HTW) de Berlim (Alemanha). Como ferramentas de corte, foram utilizadas brocas de metal duro classe K30F de 6,8 mm de diâmetro, com aplicação de emulsão interna conforme a norma DIN 6537, a uma concentração entre 7 e 8%.

O material dos corpos de prova foi o aço inoxidável fundido DIN 1.4848 com dureza de 150 a 220 HB, segundo a norma DIN EN 10295. A composição química, em porcentagem de massa, está apresentada na tabela 1 (pág. 41).

Os parâmetros de corte foram selecionados de acordo com o catálogo do fabricante. A tabela 2 (pág. 41) mostra as diferentes condições utilizadas nos ensaios.

Após os ensaios, os corpos de prova foram cortados longitudinalmente ao furo e enviados às dependências da Universidade de Caxias do Sul (RS, Brasil) para análise da integridade superficial. Texturas dos furos foram observadas e fotografadas com auxílio de um estereoscópio trinocular de medição universal, modelo TNE-10B, da marca Entex. Para a medição de rugosidade, foi utilizado um rugosímetro Taylor Hobson, modelo Surtronic 3+, com um cut-off de 0,8 mm e 4 mm de comprimento de amostragem. A rugosidade foi medida no sentido do avanço da ferramenta.

A caracterização da integridade superficial foi realizada pela análise visual da camada afetada e avaliação do perfil de dureza por microindentação do material. O corpo de prova foi seccionado transversalmente ao furo, em seu início e fim, sendo avaliada a camada afetada na direção do movimento de corte e perfil de dureza no sentido radial ao furo.

A análise da camada afetada se deu com o auxílio de um microscópio óptico Nikon, modelo Epiphot, com ampliação máxima de 1000x, em conjunto com o software Imagine, desenvolvido na universidade, para a medição visual da espessura. Como ataque, foi utilizada a solução de percloreto de ferro (FeCl3) em um tempo de ataque de 10 s.

Para as medições da dureza, foi utilizado um microdurômetro Shimadzu Mitutoyo, modelo HMV-2, sendo aplicada uma carga de 0,025 kg nas indentações, com distância de 20 µm entre indentações, conforme a norma ASTM E384-11.

Resultados

A rugosidade de peças é comumente o parâmetro utilizado na indústria para qualificar a qualidade da superfície. Tendo em vista as características da superfície, as figuras 1 e 2 (pág. 44) mostram o comportamento da rugosidade e textura para as diferentes condições testadas, no início e no fim dos furos.

Figura 1 – Rugosidade medida no inicio e fi m dos furos para as diferentes condições de usinagem

Figura 2 – Textura do inicio e fi m dos furos para as diferentes condições de usinagem

Para as condições 1 e 3, quando se compara o aumento dos parâmetros de corte conclui- -se que maiores velocidades e avanços impactam em menores rugosidades. Segundo Hood et al[13], na usinagem da liga de níquel Haynes 282 o aumento dos parâmetros de usinagem contribuem para maior adesão de material sobre a superfície. Em virtude desse comportamento, os valores de rugosidade para a ferramenta nova foram inferiores aos valores mensurados para a ferramenta em fim de vida.

Em concordância com estes resultados na usinagem de uma liga de níquel, Jin et al[15] verificaram que o aumento dos parâmetros de corte reduz a rugosidade em decorrência da menor incidência de aresta postiça de corte. Contrariamente para as condições 2 e 4, o aumento dos parâmetros influenciou de modo a ampliar as rugosidades. Em comum acordo, Lin[18] verificou que, com o incremento da velocidade de corte, as rugosidades elevaram-se. Este comportamento foi atribuído à vibração sofrida pela ferramenta.

Com a observação visual da superfície (figura 2), é possível notar, para a comparação entre a ferramenta em estado novo e em fim de vida, uma ligeira diferença nas texturas. A presença das marcas de passagem da ferramenta é mais nítida para a ferramenta em estado novo, ao passo que na superfície gerada pela ferramenta em estado de fim de vida as marcas são pouco visíveis. Essa visualização auxilia na explicação do fenômeno anteriormente explanado: a perda da geometria inicial da ferramenta faz com que o corte não ocorra adequadamente, de modo que haja maior deformação e arranque de material e menor cisalhamento.

Visualmente, nas comparações para os menores parâmetros, a condição 1 (ferramenta nova) apresenta maior incidência de material aderido (caldeado) sobre a superfície, enquanto a condição 2 (ferramenta em fim de vida) apresenta um aspecto mais alisado. Segundo constatado por Hood et al[13], a adesão sobre a superfície de uma liga de níquel gera rebarbas, devido ao cavaco segmentado resultante desse tipo de usinagem. Essas rebarbas tendem a aumentar a rugosidade de forma significativa.

Já para as condições 3 e 4, com maiores velocidades e avanços, o comportamento apresentado foi o contrário. Maiores rugosidades, encontradas para a ferramenta em fim de vida (4), são decorrência da grande variação e não uniformidade da superfície, com marcas aleatórias de passagem da ferramenta, supostamente provenientes da maior vibração causada por maiores rotações. Ferramentas em estado de fim de vida geram maiores vibrações, conforme foi verificado por Kwong et al[17].

Na condição de ferramenta nova (3), apesar de ainda influenciar as vibrações, a geometria da ferramenta propicia um corte mais homogêneo, sem desvios e marcas irregulares. Além disso, é visualmente perceptível a presença de material aderido sob a superfície.

Para o fim do furo, as rugosidades mensuradas seguiram tendência de reduzir os valores com o desgaste da ferramenta , como ilustrado nas comparações das condições 1 e 2, e 3 e 4. A incapacidade do cisalhamento adequado do material faz com que a aresta de corte não arranque o cavaco, deformando- -o e desprendendo-o com a passagem da ferramenta, o que gera um aspecto mais alisado na superfície resultante.

Ao contrário do comportamento observado para o início do furo, observa-se que o aumento do parâmetro de corte não gerou aumento da rugosidade (condições 1 e 3, e 2 e 4). Hood et al[13] mencionaram que maiores severidades de corte (maiores parâmetros e desgaste da ferramenta) propiciam aumento do material aderido/ depositado sob a superfície, diminuindo a rugosidade. Jin et al[15] atribuíram a diminuição da rugosidade à diminuição da incidência de aresta postiça de corte sobre a ferramenta. Segundo Hood et al[13] , na usinagem de uma liga Haynes 282, com ferramentas de metal duro revestidas com TiAlN e utilizando emulsão interna, a maior severidade no corte, devido aos maiores parâmetros de corte e ao desgaste da ferramenta, faz com que a adesão de material sobre a superfície seja mais pronunciada, como pôde ser observado nas texturas das superfícies.

As superfícies apresentam um aspecto menos homogêneo para as ferramentas novas (1 e 3), ao passo que as cavidades nas condições em fim de vida (2 e 4) apresentaram um aspecto menos irregular, mais alisado, o que corrobora com os resultados obtidos.

Além do conhecimento da superfície gerada na furação, as características e efeitos subsuperfíciais são de grande valia para o entendimento do processo de corte. A integridade superficial, caracterizada pelas transformações metalúrgicas, químicas e físicas sofridas pela peça, muitas vezes é utilizada como parâmetro, a fim de evitar falha de componentes. Desse modo, a figura 3 (pág. 46) mostra o comportamento da camada afetada em relação às condições ensaiadas, para o início e fim do furo, respectivamente.

Figura 3 – Camada afetada

De modo geral, a espessura da camada afetada foi maior para as ferramentas em fim de vida. Este resultado vai ao encontro dos resultados de rugosidade. Com a perda da geometria inicial de corte devido ao desgaste da ferramenta, aumenta a área de contato entre a ferramenta e a superfície usinada, além do efeito de maior deformação do material. Favorecendo essa condição, a força de corte atuante pela rotação da ferramenta com a ferramenta desgastada é maior, o que propicia o aparecimento de deformações no material[17] .

Entretanto, ao serem confrontados os resultados obtidos com a variação de parâmetros (condições 1 e 3, e 2 e 4), observa-se que as maiores deformações foram para as menores velocidades. A maiores velocidades, a ferramenta tem menor tempo de contato com o cavaco, o que favorece maior rapidez do fluxo de saída para fora do furo. Como a maior parcela do calor é transferida para o cavaco, a sua rápida remoção da área de corte faz com que o gradiente de temperatura não se eleve significativamente e, por conseguinte, não favoreça a formação de deformações plásticas. Por outro lado, o maior tempo de contato do cavaco a velocidades mais baixas faz com que as temperaturas se elevem e favoreçam as deformações[21].

Comparando as condições entre ferramenta nova e em fim de vida, observa-se que maiores deformações ocorrem para as ferramentas desgastadas. Com o incremento do desgaste, a geometria inicial de corte sofre alterações, aumentando a área de contato na interface cavaco/peça/ferramenta. Consequentemente, essa maior área influencia o atrito e, desse modo, a geração de calor. Além disso, com o desgaste da ferramenta, as solicitações mecânicas, representadas pelas forças de corte e avanço, aumentam significativamente,nfluenciando a maior deformação por arraste de material, como foi apontado por Kwong et al[17] .

Em resultados contrários aos observados para o início do furo, com o aumento da profundidade os maiores parâmetros de usinagem impactaram o aumento da camada afetada. Como existe a manutenção da temperatura na região de corte pela ação da refrigeração interna da ferramenta, o efeito de aumento das deformações para o fim do furo pode ser atribuído às maiores forças de corte, contribuídas pelo desgaste da ferramenta, como foi visto por Kwong et al[17] e Soo et al[26] . Maiores avanços, nas condições 3 e 4, influenciam o torque, e consequentemente a força de corte, de modo a aumentar[23]. Assim, as deformações plásticas são superiores nessas condições.

Para auxiliar a visualização das regiões afetadas, a figura 4 (pág. 47) ilustra as fotos metalográficas para cada condição.

Figura 4 – Fotografi as metalográfi cas do material usinado, para cada condição avaliada

Observa-se nas imagens metalográficas um deslocamento da orientação dos grãos próximos à borda do material, fato que indicia presença de deformações plásticas no material. Entretanto, devido à natureza do material, a análise precisa da subsuperfície através de ataques químicos fica limitada. Em conjunto com as medições de camada afetada, a avaliação da dureza por microindentação auxilia na verificação das alterações sofridas pela peça.

Nas peças avaliadas para o início do furo, a condição que apresentou o perfil de dureza mais acentuado foi a 3 (v c = 60 m/min, nova), seguida pela condição 4 (v c = 60 m/min, fim de vida), 2 (v c = 45 m/min, fim de vida) e 1 (v c = 45 m/min, nova). Maiores alterações no perfil de dureza do material estão associados às maiores deformações. Para o fim do furo, as maiores durezas e perfis foram mensurados para a condição da ferramenta em fim de vida, condizente com a hipótese de que o desgaste da ferramenta atua de forma a aumentar os esforços durante o processo.

Soo et al[26] constataram que as forças de corte e os valores de torque aumentaram exponencialmente com a evolução do desgaste na usinagem de superliga de níquel, fator que contribui para o encruamento da superfície e consequente aumento da dureza na região próxima à borda.

O perfil de dureza auxilia na verificação da camada afetada. Próximo à borda do furo maiores valores de dureza são observados. O’Sullivan e Cotterel[20] apontam que os processos de usinagem ocasionam endurecimento da superfície usinada, e que para o aço inoxidável austenítico é muito comum a possibilidade da formação da martensita durante o cisalhamento. A possível mudança de fase do material poderia explicar o endurecimento da borda do furo. Porém, como não foram observadas essas alterações por meio das imagens metalográficas, a maior dureza na superfície é resultado supostamente do encruamento do material.

O encruamento do material, que confere o aumento de dureza da camada mais superficial da superfície usinada, é causado principalmente pela condição mecânica do processo. De modo análogo, as severidades térmicas atuam no sentido de afetar maiores profundidades do material. Desse modo, a maior dureza superficial supostamente é efeito das maiores severidades mecânicas e o perfil de durezas é relacionado às severidades térmicas. Ambos os efeitos atuam sob a integridade superficial, causando deformações plásticas, encruamento dos grãos e variações do perfil de dureza do material[5].

Conclusões

As condições da ferramenta e os parâmetros de corte utilizados têm efeito sobre a rugosidade e textura do furo usinado. Conforme o aumento da profundidade do furo, os efeitos sobre a qualidade superficial são alterados. No início do furo, maiores rugosidades foram observadas para a ferramenta nova e para os menores parâmetros. Os mesmos comportamentos foram observados para fim do furo.

As deformações plásticas, de modo semelhante à rugosidade, mostraram-se diferentes para cada condição testada. Para o início do furo, maior rugosidade foi verificada para as menores velocidades. Para o fim do furo, as maiores deformações foram mensuradas para os maiores parâmetros utilizados. Em todas as condições, a ferramenta em fim de vida gerou maiores deformações plásticas, fato que pode ser atribuído aos maiores esforços atrelados a esta condição de desgaste.

O perfil de dureza por microindentação seguiu um comportamento típico, com os maiores valores próximo à borda, que decrescem até atingirem o valor do material base. Os valores mensurados não apontam uma tendência clara, mas, de modo geral, as maiores velocidades impactaram em valores de dureza superiores.

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