spi.meca
Integridade De 
  
Superfície Do 
  
Aço Superduplex 
  
Adriane Lopes Mougo 
  
Anna Carla Araujo 
  
  
  
INFLUÊNCIA DA RECUPERAÇÃO ELÁSTICA NA

Keywords: Micromilling, Superduplex steel, Roughness, Burr

Resumo

O efeito de escala é um importante fenômeno que ocorre durante o microfresamento e trata da relação entre o raio da aresta de corte, a espessura de corte e a microestrutura da peça. O aço superduplex UNS S32750 é um importante material usado na indústria petrolífera que pode ser usado futuramente para a fabricação de microsensores e microatuadores. No entanto, ainda não existem publicações voltadas para a microusinagem deste aço, seja na análise das forças de corte, na vida útil da ferramenta ou na integridade da superfície usinada. O presente artigo trata do estudo da rugosidade de superfície e da formação de rebarbas após o microfresamento do

INTRODUÇÃO

O Efeito de Escala, que é um conjunto de fenômenos capaz de descrever o comportamento de um material durante a fabricação em escala reduzida [START_REF] Mian | Identification of factors that dominate size effect in micro-machining[END_REF], [START_REF] Aramcharoen | Size effect and tool geometry in micromilling of tool steel[END_REF], [START_REF] Bissacco | Size Effects on Surface Generation in Micro Milling of Hardened Tool Steel[END_REF]. Segundo Vollertsen et al. [START_REF] Vollertsen | Size effects in manufacturing of metallic components[END_REF] este efeito de escala pode ocorrer durante a fabricação de qualquer tipo de material, mas é comumente observado em materiais metálicos devido a sua deformação plástica. O Efeito de escala em usinagem trata principalmente da relação entre o raio de arredondamento da aresta de corte (re) e a espessura do cavaco indeformado (tc) e da microestrutura da peça. Como na microusinagem tc passa a ter a mesma magnitude de re, e muitas vezes re > tc, o ângulo de saída da ferramenta passa a ser negativo, gerando deformações plásticas na superfície da peça que irão comprometer seu acabamento e diminuir a vida útil da ferramenta de corte. Somado à isto, para que ocorra a formação do cavaco, é necessário que tc seja maior que uma espessura mínima para formação do cavaco (tcm). Isto porque quando tc < tcm o material é "empurrado" à frente da aresta de corte por um mecanismo conhecido por ploughing ou riscamento, que é um processo de conformação e não de usinagem [START_REF] Ramos | Characterization of the transition from ploughing to cutting in micro machining and evaluation of the minimum thickness of cut[END_REF]. Se tc << tcm o cavaco não será formado e a superfície da peça será deformada elasticamente, recuperando sua forma após a passagem da ferramenta [START_REF] Malekian | Modeling of minimum uncut chip thickness in micro machining of aluminum[END_REF], [START_REF] Vogler | On the Modeling and Analysis of Machining Performance in Micro-Endmilling, Part I: Surface Generation[END_REF]. Deste modo, a atenção na microusinagem deve ser voltada, no primeiro instante, à medição de re e à determinação de tcm, seguida da seleção adequada dos parâmetros de corte. Outra característica importante abordada no efeito de escala é o efeito da microestrutura da peça. Os primeiros trabalhos voltados à microusinagem consideraram a microestrutura do material homogênea, investigando inicialmente a influência dos parâmetros de corte nas forças de corte e na formação do cavaco. No entanto, na microusinagem a quantidade de material removido a cada passagem da aresta de corte pela superfície da peça é muito menor que na usinagem, sem alterar o tamanho dos grãos. Assim, se para o processo convencional a formação do cavaco compreende a união de vários grãos, no microfresamento o cavaco pode ser composto de poucos grãos ou mesmo de um único grão. Quando o corte ocorre dentro de um único grão, as tensões aplicadas à ferramenta são dependentes de vários fatores do material, como a orientação cristalográfica, polimorfismo e fases presentes, causando oscilações de alta frequência das forças de corte [START_REF] Ramos | Characterization of the transition from ploughing to cutting in micro machining and evaluation of the minimum thickness of cut[END_REF]. Esta oscilação irá influenciar na performance do processo e no acabamento da peça. Um ponto importante da relação entre tc e o diâmetro médio dos grãos na mesma ordem de grandeza do raio da aresta de corte é que o material vai sofrer mudanças no estado de tensões e na taxa de deformação. Estas mudanças ocorrem pela variação do estado de tensão de compressivo para trativo durante o escoamento do material e pela alternância da passagem da ferramenta por fases do material ora mais macia ora mais dura. Assim, este mecanismo de formação do cavaco na escala micro é diferente da usinagem convencional. Deste modo, este trabalho tem por objetivo analisar a rugosidade de superfície e a formação de rebarbas após o microfresamento do aço superduplex, considerando dois níveis de velocidade de corte e seis níveis de avanço da ferramenta. A análise dos resultados é realizada considerando que este aço possui microestrutura composta por grãos das fases ferrita e austenita com diferentes taxas de recuperação elástica. Para este trabalho, serão realizados testes de microfresamento, nanodureza e nanoriscamento, além da análise da composição química de cada fase por MEV/EDS.

MATERIAIS E MÉTODOS

O material utilizado foi o aço inoxidável superduplex UNS S 32750. Para a revelação da microestrutura foi realizado o ataque eletroquímico com reagente composto de 20 g de NaOH e 100 ml de água destilada. O aço superduplex apresenta uma micrografia típica composta de ilhas da fase austenita (coloração mais clara) em uma matriz contínua da fase ferrita (coloração mais escura). A microestrutura é apresentada na Figura (1). A composição química de cada fase do aço superduplex foi realizada por Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) e são apresentadas na Figura (2) e na Tabela [START_REF] Mian | Identification of factors that dominate size effect in micro-machining[END_REF]. A micrografia do aço superduplex foi analisada pelo software Image-Pro Plus para quantificar a fração volumétrica de cada fase do material através do método de contraste de tonalidade. Os resultados mostraram que a fração volumétrica da fase ferrita foi de 52% e da fase austenita foi de 48%, distribuídas de modo equivalente. O ensaio de nanodureza e nanoriscamento foi realizado com um nanoindentador Agilent Nano-G200 com resolução de deslocamento menor que 0,01 nm, resolução de força de 50 nN e carga máxima de 1mN através de ciclos de carga e descarga. 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As propriedades de cada material estão intimamente ligadas à sua estrutura. Portanto, para que cada fase do aço superduplex seja caracterizada é necessário realizar, além da composição química, a caracterização das propriedades mecânicas. Como o teste de microdureza produz uma endentação com comprimento aproximado de 73 µm, seria impossível caracterizar cada fase do superduplex por este teste, já que este aço tem grãos médios de ferrita de 21,1 µm e de austenita de 30,2 µm. Por isso, nesta etapa foram utilizados os testes de nanoriscamento, Figura (4), e nanodureza, Figura Recuperação elástica (%) 17,15 14,09

A rugosidade de superfície foi medida na direção de avanço: três medidas por canal.

A influência dos parâmetros de corte na rugosidade média foi verificada usando os experimentos de 1 a 8. Considerando uma significância de 5%, os resultados por análise de variância mostraram que o avanço por dente (ft) apresenta maior influência na rugosidade média (Ra) que a velocidade de corte (Vc). A Figura (6) apresenta a evolução de Ra em função de ft considerando Vc = 50 m/min. Os resultados seguem àqueles encontrados na literatura, onde a rugosidade é diretamente influenciada por ft, quando o raio da aresta de corte (re) permanece constante. Deste modo, é possível observar que o valor médio de Ra aumenta com o aumento de ft.

No entanto, o intervalo de erro para ft > 5 µm/dente é maior do que aquele observado para ft entre 1 µm/dente e 3 µm/dente. Isso pode ser explicado pela atuação da recuperação elástica diferenciada entre as fases do aço superduplex. Malekian et al.

(2012) apresentaram em seu artigo sobre o microfresamento de materiais homogêneos que a altura da recuperação elástica (tre) é uma função da taxa de recuperação elástica (ρ) e da espessura do cavaco (tc), como mostrado na Equação (4). Para esta equação considera-se que tc = ft e que ρ = 17.2% e 14.1% para as fases autenitica e ferritica, respectivamente

𝒕 𝒓𝒆 = 𝝆𝒕 𝒄 (4) 
Assim, quanto maior for o valor de tc, maior será a diferença de ter entre as fases do aço superduplex e, por consequência, maior será o intervalo de erro nos resultados da rugosidade média. Por exemplo, quando ft =1 µm/dente e 5 µm/dente a diferença entre os valores de tre das fases austenitica e ferritica são de 0,03 µm e 0,15 µm, respectivamente. Isso mostra que a integridade da superfície microfresada é influenciada não somente pelos parâmetros de corte, mas também pelas propriedades mecânicas das fases presentes em um material com microestrutura heterogênea. De modo geral, a condição ideal de microfresamento para baixos valores de rugosidade de superfície é quando ft<re. No entanto, pelo conceito de efeito de escala, quando esta condição é alcançada, a força de corte e a pressão específica de corte apresentam um aumento não linear. As rebarbas são deformações plásticas ocasionadas pela alta tensão de compressão na peça durante a passagem da ferramenta. Estas deformações tornam-se maiores quando ft<re e sua ocorrência está diretamente relacionada com o efeito de escala e depende especialmente das características microestruturais do material da peça, do raio da aresta de corte e parâmetros de corte. Para a altura da rebarba de topo foram realizadas 10 medições transversais em cada canal microfresado. Com os resultados dos experimentos de 1 a 8 foi possível observar que o avanço da ferramenta apresenta maior influência na formação da rebabrba. A Figura (7) apresenta a influência de ft na formação da rebarba de topo considerando Vc = 50 m/min. 

CONCLUSÕES

Este trabalho apresentou um estudo sobre o microfresamento do aço superduplex e a influência dos parâmetros de corte na integridade de superfície da peça. O material de estudo foi o aço inox superduplex UNS S32750. Os parâmetros de corte analisados foram a velocidade de corte e o avanço por dente. Foi realizado um estudo da integridade superficial do aço superduplex através da análise de rugosidade da superfície e da formação da rebarba de topo nas laterais dos canais microfresados.

As principais conclusões deste trabalho são apresentadas.

 O avanço da ferramenta é o parâmetro de corte com maior influência na rugosidade media e na formação da rebarba de topo.

 Foi observado que a rugosidade média aumenta com o avanço da ferramenta. Este resultado já era esperado, pois a rugosidade de uma superfície usinada é diretamente influenciada pelo avanço da ferramenta e pelo raio da aresta de corte, que neste trabalho foi considerado constante (re = 2,5 µm). No entanto, o intervalo de erro foi maior para ft ≥ 5 µm/dente devido a maior variação na recuperação elástica das fases do aço superduplex.  A altura da rebarba de topo foi observado quando ft < re. Quando a razão entre ft e re é baixa, o efeito ploughing atua mais severamente no processo de formação do cavaco, ou seja, um volume maior de material da peça é empurrado à frente da aresta de corte para as laterais do canal, formando as rebarbas.  Imagens por MEV confirmaram que para o avanço menor a rebarba de topo se forma na lateral do canal de modo descontínuo e, principalmente, na lateral de saída da aresta de corte (downmilling).

Agradecimentos

Os autores agradecem ao auxílio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico -CNPq pela bolsa de Doutorado referente ao processo 142275/2012-3, aplicado entre 08/12 a 01/2015.

REFERÊNCIAS

Figura 1 .

 1 Figura 1. Microestrutura do aço superduplex UNS S 32750.

Figura 2 .

 2 Figura 2. EDS das fases do aço superduplex UNS S 32750: (a) ferrítica e (b) austenítica.

A

  máquina-ferramenta utilizada neste trabalho foi a microfresadora CNC Mini-Mill/GX da Minitech Machinery Coporation. O controle por Comando Numérico Computadorizado é realizado através do software Mach3Mill, que é um programa bastante flexível utilizado para controlar máquinas fresadoras ou similares. A rotação da ferramenta é realizada por um motor elétrico da marca Nakanish que possui rotação máxima de 60000 rpm refrigerado à ar comprimido. As especificações técnicas desta máquina tratam do seu curso limite nas coordenadas x, y e z de 300 mm, 288 mm e 288 mm, respectivamente. A mesa para fixação das peças e/ou dispositivos sensoriais é de alumínio, com dimensão total de 152,4 x 444,5 mm. A fixação na mesa é realizada com parafusos 1/4-20 com distância entre centros de 2,54 mm. O dinamômetro utilizado foi da marca Kistler do tipo MiniDyn 9256C2 com cabo de conexão do tipo 1967A. A faixa de trabalho deste dinamômetro nas três direções ortogonais é de -250 N à 250 N, com alta sensibilidade e frequência natural entre 4,0 a 4,8 kHz. A dimensão total do dinamômetro é 80 x 91 x 25 mm e sua área útil para piscionamento da peça é de 80 x 55 mm. O condicionamento dos sinais das forças de corte adquiridos com o minidinamômetro foi realizado com o auxílio de um amplificador de carga da marca Kistler modelo 5070A10100. Foi utilizada uma placa da National Instruments NI USB-6551 e o software LabView Signal Express 2012 para leitura do sinal digital. A frequência de aquisição do sinal de força foi de 40000 Hz. A ferramenta de corte utilizada nos experimentos foi uma microfresa inteiriça de metal duro com revestimento de nitreto de alumínio titânio (TiAlN-F) (E112F -Standard da Sandvik). Sua geometria consiste basicamente do diâmetro de 0,8 mm, 2 dentes de corte e diâmetro da haste de 4 mm. Esta ferramenta é indicada para usinagem de aços com dureza menor que 48 HRC, aços em geral, ferro fundido, cobre, níquel e titânio. As imagens e a determinação da composição química desta ferramenta foram realizadas com o auxílio do MEV/EDS (marca Zeiss DSM 940) e as medidas do raio da aresta de corte, do raio de ponta e do ângulo de hélice foram medidos com auxilio do software Image J, como apresentadas na Figura (3). Os resultados da medição indicam que o raio da aresta de corte é aproximadamente 2,5 µm, o raio de ponta é 4 µm e o ângulo de hélice ficou em 30º.

Figura 3 .

 3 Figura 3.Composição química e medição dimensional da microferramenta de corte.

Figura 4 .Figura 5 .

 45 Figura 4. Teste de nanoriscamento nas fases do superduplex. (a) Fase austenita e (b) Fase ferrita.

Tabela 3 .

 3 Propriedades mecânicas das fases do aço superduplex.

Figura 6 .

 6 Figura 6. Influência do avanço da ferramenta na rugosidade média do aço superduplex.

Figura 7 .Figura 8 .

 78 Figura 7. Influência do avanço da ferramenta na rebarba de topo do aço superduplex.

  

  

Tabela 1. Resultado da composição química das fases do aço superduplex. % em peso SD -Fase Austenítica SD -Fase Ferrítica

  

	% Fe	53,82	52,80
	% Ni	6,72	4,44
	% Cr	20,92	23,90
	% Mo	2,47	3,57
	% Si	0,30	0,37

Engenharia Mecânica, Doutora, Professora, Departamento Engenharia Mecânica, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro/RJ, Brasil.