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Congresso 
  
U M Torneamento De 
  
Aço Superduplex 
  
José Paulo Vogel 
email: vogel@cefet-rj.brwashington
  
Souza Nery 
  
Anna Carla Araujo 
  
  
  
  
  
  
  
  
ESTUDO DO EFEITO DO AVANÇO NAS FORÇAS E NO ACABAMENTO DE

Keywords: Stainless Steel Super Duplex, Turning, Cutting forces, Dimensional tolerance

de corte do corpo de prova. A análise mostra a influência destes fatores na qualidade do produto final.

INTRODUÇÃO

O aço super duplex é um produto metálico, muito utilizado na indústria de petróleo e gás, que alia características de um aço inóxidável ferrítico e um austenítico, possuindo assim, alta resistência mecânica e à corrosão em relação aos aços inoxidáveis austeníticos convencionais.

A diferença dos aços inoxidáveis duplex e super duplex consiste principalmente nas concentrações de cromo, níquel, molibdênio e nitrogênio que essas ligas apresentam, sendo que alguns desses elementos interferem diretamente na resistência à corrosão por pite, que é uma forma de ataque químico em ambientes contendo íons halogênios, dentre eles destaca-se o íon cloreto (Cl-). Uma maneira de quantificar empiricamente essa propriedade química é através da resistência equivalente à corrosão por pite, ou PRE (Pitting Resistance Equivalent). De acordo com a norma ASTM A890/A890M, essa grandeza pode ser calculada de acordo com a expressão: PRE = %Cr + [(3,3) x (%Mo)] + [(16) x (%N)] (1) Assim, os aços inoxidáveis bifásicos (ferrítico/austenítico) cujos valores do PRE forem da ordem de 35 a 40, constituem a família dos aços inoxidáveis duplex e aqueles cujos PRE forem superiores a 40, constituem a família dos aços inoxidáveis super duplex (Martins, M. e Casteletti, L. C., 2007).

Na indústria de petróleo e gás o aço super duplex tem apresentado problemas na obtenção de peças com tolerâncias dimensionais e de forma macro e microgeométricas, principalmente na indústria de bombas para a área de petróleo (principal usuária dos aços super duplex) onde o processo de torneamento é o mais utilizado. Assim, o aço super duplex (R$50,00/kg) está sendo substituído, quando há possibilidade, pelo inconel (R$250,00/kg), o que traz um aumento de custo em matéria prima de 400%. Além do custo da matéria prima, outro fator importante que influencia no custo de fabricação é a propriedade usinabilidade. Os modelos de previsão e determinação da usinabilidade e os valores ideais dos parâmetros de processo na fabricação também têm sido áreas de interesse para pesquisadores e engenheiros de fabricação. Além disso, os modelos de usinabilidade têm restrições muito críticas para a seleção de parâmetros no processo de planejamento de sistemas de usinagem. Estes modelos não podem ser previstos sem trabalho experimental em material específico usando condições customizadas. O Inconel, por exemplo, é uma super liga de níquel, cromo e molibdênio com excelente resistência à corrosão numa vasta gama de meios corrosivos, porém de difícil usinabilidade. Neste trabalho, não foi tratada a questão comparativa quanto ao quesito usinabilidade porque envolve critérios específicos (o principal é a vida útil da ferramenta em função da sua importância econômica) entre os materiais citados neste trabalho, o aço super duplex e o inconel.

Os parâmetros de corte, principalmente velocidade de corte e avanço, influenciam de forma relevante as propriedades superficiais das peças usinadas, tais como, dureza, tensões residuais e rugosidade (Bouzid Sai et al, 2000e Cindra Fonseca, M. P. et al, 2008). As altas taxas de encruamento induzem modificações mecânicas e comportamento heterogêneo nas superfícies de corte destes aços e levam a vibrações e formação instável de cavacos (Saoubi et al, 1999e Bordinassi, 2007). A literatura em geral aponta problemas encontrados na usinagem de aços inoxidáveis tais como: desgaste da ferramenta, acabamento superficial ruim (provável encruamento do material durante a usinagem), cavacos longos, baixas velocidades de corte.

Este trabalho é resultado de um esforço inicial objetivando um estudo experimental da usinagem de aços super duplex ainda carente de estudos, pois diversos trabalhos envolvendo aços super duplex de áreas correlatas não se aprofundam na análise dos efeitos da usinagem no material (Bordinassi, 2007). O presente artigo leva em conta um processo de torneamento externo de um aço super duplex. A escolha deste processo de usinagem levou em conta que cerca de 20% das operações de usinagem e 40% do tempo de usinagem na indústria em geral são de torneamento (Chang, 1998;Tönshoff e König,1994, Bordinassi, 2007). Além disso, dois dos principais fabricantes brasileiros de tornos mecânicos paralelos convencionais estimam que só no Rio de Janeiro existam mais de 100.000 unidades destas máquinas operatrizes em funcionamento.

O objetivo deste trabalho é avaliar o processo de usinagem por torneamento com diferentes avanços e as características da peça acabada. Realizou-se o monitoramento das forças de usinagem, foram medidos os diâmetros finais da peça usinada, a rugosidade e a dureza das superfícies de corte acabadas e estes aspectos foram relacionados. Espera-se que com os testes convencionais de dureza (H v5 e HRA) planejados com cargas adequadas possam apresentar as diferenças das superfícies de corte entre a peça como recebida e a peça após a usinagem.

MATERIAIS E MÉTODOS

A realização de ensaios em laboratório é uma prática adotada para simular as condições de usinagem encontradas nas empresas e assim realizar estudos de melhorias no processo e compreensão de comportamento em usinagem. Existem muitas variáveis envolvidas na fabricação de peças por usinagem. Neste trabalho adotou-se realizar o estudo variando apenas a velocidade de avanço, mantendo-se todos os demais parâmetros constantes. Os dispositivos de produção foram escolhidos em função do material e da geometria do corpo de prova. A descrição da realização dos ensaios assim como as medidas experimentais obtidas é apresentada nesta seção.

EQUIPAMENTOS

Para a realização dos ensaios de usinagem, foi utilizado um torno mecânico paralelo convencional marca NARDINI modelo Mascote MS 205 x 1000 do Laboratório de Pesquisa em Usinagem (LABUS) do CEFET/RJ. Esse torno possui 18 rotações, 48 avanços longitudinais e 48 avanços transversais. Os dispositivos de produção usados no torno para o ensaio foram: placa de três castanhas autocentrante, cabeçote móvel com contrapontas rotativo, porta ferramentas direito (SDJCR 2525M11) e pastilha de metal duro (DCMT 11T3 08 MM 1105), ambos fornecidos pela Sandvik, selecionados de acordo com o material usinado, forma e dimensões da peça e de acordo com o suporte porta ferramentas marca Kistler específico para uso com o dinamômetro universal Marca Kistler a cristal de quartzo para medição dos três componentes ortogonais de uma força recomendado para medição de forças de corte durante operações de torneamento. O dinamômetro possui alta rigidez e frequência natural elevada, quatro faixas de medição comutáveis: 0,5kN a 10kN (Fx, Fy, Fz), sensibilidade: 10mV/N (Fx e Fy); 5mV/N (Fz), frequência natural: 2 kHz (Fx, Fy); 3,5 kHz (Fz) e temperatura de operação: 0 a 60 o C. Para medição de rugosidade, foi usado um rugosímetro portátil da marca Mitutoyo modelo SJ 201 M/P com um comprimento de medição de 2,5mm (Cutoff) e sistema (Ra). Para as medições de dureza Vickers e Rockwell foi utilizado um durômetro marca Instron Wolpert. Para as verificações dimensionais foi usado um paquímetro (150 mm -0,02 mm) marca Mitutoyo, um relógio comparador (5,0 mm -0,01 mm) marca Mitutoyo, e um suporte universal para relógio comparador (150 mm) com base magnética marca Mitutoyo.

MATERIAL DO CORPO DE PROVA

Para avaliação do comportamento do material relativo à usinagem, optou-se por um corpo de prova de aço inoxidável super duplex UNS S 32750 fornecido em barra redonda laminada a quente, recozida, torneada e polida com 40,16 mm de diâmetro. A composição química do material, em peso, está apresentada na Tab. 1. 2)(b) pode ser observado o corpo de prova fixado à placa do torno e o alinhamento do suporte porta ferramentas (com relógio comparador) fixado em cima da plataforma dinamométrica, com a indicação da orientação dos eixos da força de corte, a força passiva e a força de avanço. A plataforma dinamométrica está fixada no lugar do castelo porta ferramentas do torno e suporta um dispositivo porta ferramentas fornecido pelo fabricante do dinamômetro. Para a aquisição dos valores de força segue-se o esquema: o sinal enviado pela plataforma dinamométrica Kistler é amplificado no condicionador de sinais e enviado para o digitalizador A/D que por sua vez, envia o sinal para um computador que recebe os dados. A partir de então, estes dados são tratados computacionalmente. Foram utilizados quatro avanços diferentes conforme a Tab.(2). A usinagem foi feita com óleo solúvel orgânico em um torno mecânico paralelo, usado nos testes com o corpo de prova de aço superduplex fixado à placa. O alinhamento do conjunto foi feito com um relógio comparador com desvios medidos menores que 0,01mm. Os parâmetros de corte adotados foram: velocidade de corte-63,08 m/min; rotação-500 rpm; avanços unitários-0,109 mm/rot; 0,199 mm/rot; 0,293 mm/rot; 0,486 mm/rot.

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

O conhecimento das forças de usinagem é fundamental na experimentação e na pesquisa tanto de novos materiais quanto de materiais conhecidos de difícil usinagem no tocante aos resultados finais relativos a tolerâncias dimensionais e de forma macro e microgeométricas (rugosidade). As informações das forças de corte podem indicar fenômenos não conhecidos de um determinado material. Assim foram medidas as forças de usinagem e foram realizados testes de dureza, de rugosidade e de metrologia básica nas superfícies de corte do corpo de prova com o objetivo detectar possíveis alterações nas propriedades do material.

FORÇAS DE USINAGEM

Na Fig. (3) é apresentada a variação das forças obtidas nos testes com os valores de avanço mostrados na Tab.(2). O tratamento estatístico é realizado na região do sinal que representa as forças de usinagem do regime permanente. Nesta região são calculadas a média, a mediana e o desvio padrão das forças obtidas em cada experimento executado. 

PRESSÕES ESPECÍFICAS

Para avaliar as componentes dos vetores de pressão específica de corte k a (1) , divide-se as forças de usinagem pela área de corte. Considera-se que a área S 1 é calculada a partir da profundidade de corte p 1 e do avanço determinados na máquina. Esta profundidade de corte foi imposta à máquina ferramenta durante o processo com precisão de 0,01mm. S 1 =f a . p 1 (2) Estas pressões, calculadas a partir da área de corte, podem ser chamadas de pressões especificas calculadas com a área teórica, pois desconsideram os valores efetivos durante a usinagem como indicado na Eq. 3, onde o índice a indica as pressões médias de corte, passiva e de avanço.

k ! (!) = ! ! !"
(3)

Utilizando esta equação e os valores das forças, as pressões específicas são calculadas com a área teórica e não com a área real após medição do corpo de prova. Após a usinagem, os diâmetros finais foram medidos e foi constatado que a profundidade de corte real variou em relação ao que foi imposto pela máquina-ferramenta. Com isso, o cálculo da pressão específica também deve ser alterado. Ao invés de calcular a partir da profundidade de corte fixa (p 1 = 0,25 mm), calculam-se as pressões específicas com as profundidades de corte medidas (constatou-se variações da ordem de 0,03 mm a 0,08 mm) após a usinagem.

As curvas apresentadas na Tempo (s)

1956), o aumento do avanço diminui o grau de recalque e pela equação k s ͌ k.τ r .R c1 (k é uma constante; τ r é a tensão de ruptura do material ao cisalhamento e R c1 é o grau de recalque) resulta em uma diminuição de k s (pressão específica de corte). A ferramenta de metal duro usada nos testes, não mostrou sinais significativos de desgaste. A partir dos resultados obtidos com a escala de dureza Rockwell A, pode-se verificar que a superfície de corte da segunda usinagem com avanço de 0,199 mm/rot., teve um acréscimo de dureza (diferença de cerca de seis pontos na escala HRA).

A escala de dureza Vickers com carga de 5kg (HV 5 ) não se mostrou apropriada para medir dureza neste material, mesmo a norma prevendo ser desnecessário o ajuste para o diâmetro do material, levando-se em conta que a medição foi feita no centro da curvatura do corpo de prova.

RESULTADOS DE RUGOSIDADE

A partir dos resultados da medição da rugosidade, foi verificado que a usinagem com velocidade de corte de 63,08 m/min, avanço de 0,109 mm/rot. e profundidade de corte (p) de 0,25 mm apresentou o mesmo grau de acabamento (Ra = 0,95 µm) que a usinagem com o avanço de 0,119 mm/rot.

Na superfície da barra como recebida obteve-se 0,33 µm de rugosidade, sugerindo uma operação de retificação, o que pode ser comprovado na especificação do fabricante do aço. A Fig.( 6) ilustra esta afirmação. rigidez do sistema porta ferramentas com o dinamômetro, entretanto, nenhum destes argumentos justificam as variações dimensionais apresentadas diametralmente (de 0,06 mm a 0,16 mm). Pode-se admitir que parte das forças de usinagem gerasse uma conformação da superfície de corte e dos sistemas de fixação, daí gerando as diferenças entre os diâmetros medidos e os desejados regulados através do movimento de profundidade de corte do fuso transversal do torno. O que ocorreu nestes ensaios de usinagem corresponde exatamente o que tem sido relatado por profissionais que trabalham com esse material. Essa variação dimensional foi interpretada como variação da pressão específica, em um primeiro momento, para questionar o seu cálculo e verificar se apresentaria mudança considerável no comportamento da curva da pressão específica em função do avanço, o que não ocorreu. Na avaliação da dureza percebe-se uma variação de dureza de 64,2 HRA na superfície como recebida, para uma dureza de 70,4 HRA na superfície usinada com avanço de 0,199 mm/rot. A avaliação de rugosidade apresentou um acréscimo nos avanços mais altos, o que é esperado, pois a rugosidade média é função do avanço.

Tabela 1 .Figura 1 .

 11 Figura 1. Corpo de prova (dimensões em mm)Para corte do material como recebido e fabricação do corpo de prova, usou-se uma serra de fita para o seccionamento da barra bruta. Pode-se observar que o corte com serra de fita apropriada, com o uso de óleo de corte solúvel e velocidade de corte de 132 m/min transcorreu normalmente e não apresentou problemas visíveis de desgaste significativo da lâmina de serra. O corte com bedame de metal duro para fabricação das ranhuras transversais do corpo de prova foi realizado com óleo de corte solúvel porque o material não se mostrou apto a ser usinado "a frio".O corpo de prova (CP), mostrado na Fig.(1), foi cortado no comprimento de 140 mm e foram usinados quatro canais de 5,0 mm de largura e 3,0 mm de profundidade gerando quatro superfícies para usinagem posterior de 20,0 mm cada. O rebaixo de Ø 38,0 mm de diâmetro por 8,0 mm largura situado do lado esquerdo do CP, conforme mostrado na Fig. (2), serve para fixação do CP à placa do torno e evitar deslocamento axial. A superfície de 32,0 mm (Sup. 0) também mostrada na Fig. (1) não é usinada e serve como testemunha do material recebido. Na face oposta à fixação do CP na placa de três castanhas auto centrantes do torno, foi realizado um faceamento e um furo de centro para acoplamento a um contraponto rotativo no mangote do cabeçote móvel do torno. Esta providência visa reduzir as vibrações entre peça e ferramenta devido à relação entre comprimento/ diâmetro do corpo de prova ser maior que três.2.3 USINAGEM DO CORPO DE PROVA E MONITORAMENTO DA FORÇA DE USINAGEMPara usinagem das superfícies do corpo de prova foi utilizado um inserto de metal duro ISO DCMT 11T3 08 MM 1105. Na Fig.(2)(a) são mostradas as componentes das forças de usinagem no torneamento. A força total de usinagem decorre da ação de várias forças que agem nas áreas de contato entre a ferramenta e a peça (corpo de prova no caso). Destaca-se na Fig.(2)(a), a força de corte F c, a força passiva F p a força de avanço F f e a soma vetorial representada pela força de usinagem F u , sendo, f o avanço unitário mm/rot na direção de Vf e n a velocidade de rotações (rpm).

Figura 3 .

 3 Figura 3. Forças de usinagem experimental

  Fig.(4a -obtida com resultados teóricos) e na Fig.(4b obtida com resultados após a medição do corpo de prova usinado) resumem os resultados teóricos e práticos. Percebe-se claramente, em ambos os cálculos, que a pressão especifica decai com o aumento do avanço. O aumento do avanço diminui o grau de recalque (R c1 ), conforme verificado experimentalmente (mostrado na Fig. 4) e pela teoria do corte ortogonal (apud Hucks, H.,

  Figura 4. Variação da pressão específica com o avanço 3.3 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE DUREZA Após a usinagem das superfícies do corpo de prova, foram realizadas medidas de dureza Vickers com carga de 5 kgf (HV 5 ) e Rockwell A com carga de 60 kgf usando um durômetro universal obedecendo as normas ABNT NBR NM ISO 6508-1:2008 para escala Rockwell e ABNT NBR NM ISO 6507-1:2008 para a escala Vickers. Os resultados destas medições constam na Fig. (5). Alguns resultados de dureza Vickers apresentaram anisotropia na leitura das diagonais e foram descartados em função da impossibilidade de leitura das diagonais. Na Fig.(5) observam-se os resultados gráficos dos testes de dureza Rockwell A e dos ensaios de dureza Vickers nas superfícies do corpo de prova.

Figura 6 .

 6 Figura 6. Ensaios e resultados de rugosidade

Tabela 2. Forças de usinagem

  

	Avanços	Número de	Componentes	Força	Desvio
	(mm/rot.)	pontos	da força de	média	padrão
		selecionados	usinagem	(N)	(N)
			corte	104,14	7,27
	0,109	14001	passiva	79,12	2,80
			avanço	37,27	3,01
			corte	150,24	14,12
	0,199	8001	passiva	103,85	4,72
			avanço	40,90	4,85
			corte	212,10	38,60
	0,293	5000	passiva	136,90	14,55
			avanço	45,60	11,62
			corte	256,54	52,70
	0,486	3001	passiva	166,56	21,76
			avanço	40,66	13,60

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REFERÊNCIAS

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