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Mateus Carolina Paiva Nascimento 
  
Campos Martins 
email: mateuscampos@id.uff.br
  
Juan Manuel Pardal 
email: juanpardal@vm.uff.br
  
Sérgio Souto 
  
Maior Tavares 
email: sstavaress@terra.com.br
  
Anna Carla Araujo 
  
Maria Cindra Fonseca 
  
Tensões Estudo Das 
  
Forças Residuais 
  
De Usi- Nagem 
  
Qualidade De Superfície 
  
Geradas No 
  
Fresamento De 
  
Aço Maraging 
  
Estudo Das 
  
Tensões Residuais 
  
Forças De Usinagem 
  
Qualidade De 
  
Superfície Geradas 
  
Mateus Campos Martins 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
ESTUDO DAS TENSÕES RESIDUAIS, FORÇAS DE USINAGEM E QUALIDADE DE SUPERFÍCIE GERADAS NO FRESAMENTO DE AÇO MARAGING CLASSE 300

Keywords: Machining, maraging steel 300, Residual stresses, X-ray Diffraction

des établissements d'enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

INTRODUÇÃO

O estudo dos aços de alta resistência mecânica, em particular os aços maraging, que podem atingir tensão limite de escoamento da ordem de 1400 MPa, é estratégica. Esses aços são utilizados na indústria aeronáutica que requer componentes com uma alta qualidade de acabamento superficial e uma ótima resistência à fadiga, pelo fato de estarem submetidos aos mais diversos tipos de carregamentos ao longo da sua vida em serviço (Varela et al., 2014).

As indústrias em todo mundo estão constantemente interessadas na redução dos tempos nos processos de fabricação, dentre eles na usinagem. Os parâmetros de usinagem utilizados durante esse processo podem contribuir de forma significativa para essa otimização. Assim sendo, a correta especificação do regime de corte: velocidade de corte, avanço e profundidade de corte, tem impacto direto nos tempos e nos custos de fabricação (Lalwani et al., 2008).

Do ponto de vista da usinagem, os aços maraging ainda são pouco estudados. Alguns estudos recentes realizados (Kosaraju & Chandraker, 2015, e Lalwani et al., 2008) sobre usinagem por torneamento dos aços maraging mostram que não está bem estabelecida a influência dos parâmetros de corte nas forças de corte e no acabamento superficial dos componentes usinados.

Assim sendo, a seleção dos parâmetros de corte não é um tema trivial, pois a sua seleção tem impacto direto na geração de tensões residuais e na qualidade de superfície do componente mecânico produzido por usinagem. As tensões residuais tensões autoequilibradas existentes nos materiais em condições de temperatura homogênea e sem carregamento externo (Macherauch & Kloos, 1987) e são diretamente influenciadas pelos parâmetros de corte selecionados nos processos de usinagem e sua magnitude e distribuição podem afetar de forma significativa a integridade estrutural de um componente mecânico usinado (Varela et al., 2014;James, 2010). O conhecimento das tensões residuais remanescentes na peça em função das condições de corte é crítico para melhorar a vida em fadiga, o comportamento à fratura, a resistência à corrosão e a integridade estrutural das peças, especialmente na indústria aeroespacial (Lazoglu et al., 2008).

Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo o estudo da influência dos parâmetros de corte na geração de tensões residuais, nas forças de usinagem e na qualidade de superfície por fresamento de topo do aço maraging classe 300.

MATERIAIS E MÉTODOS

O procedimento experimental foi realizado em duas etapas: obtenção dos resultados das forças de usinagem durante o fresamento e medições experimentais após o processo de usinagem.

Material

O aço maraging classe 300 estudado nesse trabalho foi fabricado pela Villares Metal e fornecido na condição laminado e solubilizado, cuja composição química e propriedades mecânicas estão apresentadas nas Tabelas 1 e 2, respectivamente. A amostra foi fornecida na forma de barra, com 170 mm de diâmetro e 10 mm de espessura. 

Fresamento

A usinagem da amostra foi realizada em um centro de usinagem Romi V400 do CEFCON/UFRJ. Para a obtenção dos valores das forças de usinagem, a amostra foi fixada no dinâmometro piezoelétrico de três componentes, modelo 9257-AB da Kistler, com capacidade de medição de sinais de forças até 10 kN com um amplificador de sinais, uma placa de aquisição de dados e um microcomputador com programa de leitura. A Fig. 1 apresenta um esquema que representa a máquina-ferramenta utilizada, a configuração de fixação do corpo de prova, e ainda a representação da conexão de aquisição de dados (Dinamômetro + Amplificador + Placa de Aquisição A/D). A aquisição de dados utilizou amplificação de 10 mV/N e uma frequência de aquisição de 2,0KHz.

Figura 1. Arranjo do fresamento do aço maraging 300 no CEFCON/UFRJ.

A amostra foi fixada através de um gabarito e a usinagem realizada em 6 canais, nomeados de C1 a C6, como ilustra a Figura 2. É realizado um fresamento de topo em cheio no qual foram utilizadas pastilhas de metal duro recobertas com TiN, classe KC725M, da Kennametal, montadas em um suporte de 16 mm de diâmetro, usando como fluido de corte uma emulsão à base de óleo vegetal na proporção de 1:40. 

Avaliação da superficíe

Após o fresamento, foi realizada a medição da rugosidade da amostra com o rugosímetro da marca Taylor Hobson Brasil Surtronic25. A mediçao da rugosidade (Ra) foi feita em duas regiões de cada canal, isto é, no fresamento com profundidade de 0,5 mm e de 1,00 mm, sendo utilizada a média dos valores dos canais usinados com a mesma velocidade de corte.

As tensões residuais foram analisadas no Laboratório de Análises de Tensões -LAT, do Departamento de Engenharia Mecânica da UFF, pela técnica da difração por raios-X usando o método sen 2 Ѱ. Foi utilizado o analisador de tensões Xstress3000, fabricado pela Stresstech, Fig. 3a, com a radiação Crα (Crα = 2.29092 Å) para difratar o plano (211) da ferrita, sob o ângulo de Bragg 2θ = 156.41°. As medições foram realizadas sobre a superfície do corpo de prova (Fig. 3b) nas regiões destacadas na Fig. 3c de cada canal, em duas direções, longitudinal (L) e transversal (T) ao sentido do corte e em 2 pontos, isto é, na região usinada com a profundidade de corte de 0,5 mm e 1,0 mm. 

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Nesta seção estão apresentados os resultados das forças de usinagem Fres, da Rugosidade de superfície (Ra) e das tensões residuais obtidas a partir do processo de fresamento de topo do aço maraging 300.

Forças de Usinagem

A força de usinagem analisada é a resultante das forças de corte e de avanço no fresamento, Fres. Experimentalmente, é calculada a partir das componentes das forças nos eixos x e y, obtidas pelo dinamômetro (Eq. 1).

, (1)

A Fig. 4 apresenta um exemplo da força resultante Fres durante dez rotações da ferramenta. A Fig. 5 apresenta um resumo do resultado de todos os experimentos, no qual foram utilizadas as forças máximas com 100 revoluções após entrada completa da ferramenta de corte. É possível observar que as forças de usinagem sofrem influência da velocidade e da profundidade de corte empregada durante o processo. Pode-se observar que, como esperado, a profundidade de corte apresentou influência na magnitude das forças de usinagem. Com o aumento da área de corte, causado pela profundidade de corte, para velocidade constante, maior é o valor da resultante Fres.

O aumento das velocidades de corte empregadas no fresamento promoveu uma redução dos valores das forças de usinagem, o que está coerente com o resultado observado por Kosaraju e Chandraker, 2015 durante o torneamento do aço maraging classe 350 com método de Taguchi.

Qualidade de superfície

Após a aquisição dos resultados de rugosidade (Ra), os valores analisados de acordo com as velocidades e profundidades de corte empregadas, conforme apresentado na Figura 6.

É possível observar que a diminuição da profundidade de corte correspondeu a uma muito pequena melhoria na qualidade de superfície, o mesmo encontrado por Kosaraju e Chandraker, 2015 no torneamento do aço maraging classe 350, onde o avanço por rotação teve uma maior influência na rugosidade (Ra) em primeiro lugar e, em segundo, a profundidade de corte utilizada.

A rugosidade foi medida em dois pontos dos canais como descrito no item 2.3, os valores plotados na Figura 7 demonstram que apenas para a velocidade de corte de 25 m/min o aumento das tensões residuais compressivas corresponde a um aumento da qualidade de superfície. As velocidades de corte de 35 m/min e 45 m/min resultaram em detrimento do acabamento com o aumento da profundidade de corte, porém, a velocidade de 35 m/min resultou no pior acabamento superficial do aço maraging, tanto para a profundidade de 0,5 mm quanto para de 1,0 mm. 

Tensões Residuais

As tensões residuais foram analisadas por difração de raios-X nas direções longitudinal e transversal em relação à direção do corte, nos canais usinados. Os resultados estão apresentados nas Figuras 8 e 9 e mostram que as tensões residuais superficiais geradas no fresamento do aço maraging foram compressivas e de elevada magnitude em todas as condições e parâmetros de corte estudados. É possível também perceber que a variação da velocidade de corte teve maior influência nas tensões residuais do que a profundidade de corte. Comparando as tensões residuais longitudinais com as forças de usinagem (Figura 10) é possível perceber que, para a profundidade de corte 0,5 mm, quanto maiores as velocidades de corte e as forças de usinagem, mais compressivas são as tensões. Entretanto, para a profundidade de 1,0 mm, o aumento da velocidade de corte e da força de usinagem resultou em uma diminuição da intensidade das tensões residuais compressivas, com valores na faixa de 750 e 775 MPa, com as velocidades de 35 e 45 m/min.

(a) (b)

Figura 10 -Comparação das tensões residuais longitudinais com as forças de usinagem.

CONCLUSÕES

O presente trabalho, que teve como objetivo analisar o efeito da velocidade e da profundidade de corte nas forças de usinagem, na rugosidade de superfície e tensões residuais, permite as seguintes conclusões:

 A magnitude das forças de usinagem reduziu com o aumento da velocidades de corte;  Dentre as velocidades empregadas, 25 m/min resultou no melhor acabamento superficial;  As tensões residuais obtidas no fresamento de topo do aço maraging classe 300 com os parâmetros utilizados foram todas compressivas e de alta magnitude.  A utilização da profundidade de corte de 0,5 mm juntamente com o aumento das velocidades de corte resultou em uma elevação das tensões residuais compressivas.

AGRADECIMENTOS

  Figura 2. Configuração da amostra O planejamento de experimentos foi realizado com os parâmetros de corte apresentados na Tabela 3. O avanço por dente (fz) foi considerado constante, de 0,03 mm/dente. Tabela 3. Parâmetros de corte utilizados no ensaio.

  (a) Analisador de tensões XStress3000 (b) Amostra sendo analisada (c) Regiões de Análise e Direções Longitudial e Transversal de Medida Figura 3. Configuração Experimental para Medida de Tensão Residual

Figura 4 .Figura 5 .

 45 Figura 4. Forças de usinagem no fresamento com condições Vc= 35 m/min, ap=1mm.

Figura 6 .

 6 Figura 6. Resultados de Rugosidade em função das Velocidades de Corte.

Figura 9 .

 9 Figura 8. Tensões residuais com a variação da velocidade de corte: a) Profundidade de corte de 0,5 mm; b) Profundidade de corte de 1,0 mm.

  

Tabela 1. Composição química do aço maraging classe 300 estudado (% em peso).

  

	C	Ni	Co	Mo	Al	Cr	Si	Ti
	0,007	18,33	9,4	5,0	0,106	0,110	0,040	0,790
	Cu	Mn	V	W	P	Mg	N	O
	0,020	0,020	0,020	<0,010	<0,005	<0,005	<0,001	<0,001
	Tabela 2.							

Propriedades mecânicas do aço maraging classe 300 estudado.

  

	Tensão Limite de	Tensão Limite de	Alongamento	Redução de Área
	Escoamento	Resistência	(%)	(%)
	(MPa)	(MPa)		
	790	1010	17	76

Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à FAPERJ pelo suporte financeiro, que permitiu a realização do presente trabalho. 

REFERÊNCIAS

RESPONSABILIDADE AUTORAL

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho.

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF RESIDUAL STRESS, CUTTING FORCES AND SURFACE ROUGHNESS IN MILLING OF MARAGING CLASS 300.

Carolina Paiva Nascimento, carolina.paiva6@gmail.com 1 Mateus Campos Martins, mateuscampos@id.uff.br 1 Juan Manuel Pardal, juanpardal@vm.uff.br 1 Sérgio Souto Maior Tavares, sstavaress@terra.com.br 1 Anna Carla Araujo, anna@mecanica.ufrj.br 2 Maria Cindra Fonseca, mcindra@vm.uff.br 1