UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE TEM - app.uff.br Final - Chayann... Agradeo ao Laboratrio de

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PROJETO DE GRADUAO II Ttulo do Projeto: ESTUDO DAS TENSES RESIDUAIS NA RETIFICAO DE AO AISI 4340 Autor: CHAYANN BICALHO GONZALEZ Orientadora: PROF MARIA DA PENHA CINDRA FONSECA Niteri, 12 de julho de 2017 UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE TCE - Escola de Engenharia TEM - Departamento de Engenharia Mecnica CHAYANN BICALHO GONZALEZ ESTUDO DAS TENSES RESIDUAIS NA RETIFICAO DE AO AISI 4340 Trabalho de Concluso de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Mecnica da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obteno do grau de Engenheiro Mecnico. Orientadora: Profa. MARIA DA PENHA CINDRA FONSECA Niteri 2017 Ficha Catalogrfica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de Computao da UFF G643 Gonzalez, Chayann Bicalho Estudo das tenses residuais na retificao de ao AISI 4340 / Chayann Bicalho Gonzalez. Niteri, RJ : [s.n.], 2017. 59 f. Projeto Final (Bacharelado em Engenharia Mecnica) Universidade Federal Fluminense, 2017. Orientadora: Maria da Penha Cindra Fonseca. 1. Tenso residual. 2. Ao AISI. 3. Difrao de raios X. 4. Usinagem. I. Ttulo. CDD 620.11241 DEDICATRIA minha me: Valria Bicalho. minha irm: Bruna Bicalho. Aos meus avs: Joo e Ndia Bicalho. minha namorada e melhor amiga: Raffaelle Alonso. AGRADECIMENTOS Agradeo minha professora orientadora Dr. Maria Cindra, por toda a ajuda, pacincia, ateno, experincia e competncia. Por todo o conhecimento compartilhado. Agradeo ao professor Juan Pardal, pela ajuda concedida durante o tratamento trmico das amostras. Agradeo ao tcnico Alex Souza, pelo auxlio durante o processo de retificao. Agradeo ao Laboratrio de Metrologia Dimensional do Departamento de Engenharia Mecnica da Uff, por conceder o equipamento utilizado na medio de rugosidade das amostras. Agradeo a todos os integrantes do Laboratrio de Anlise de Tenses, em especial aos colegas Marcel Freitas, Mateus Campos, Raphael Jos, Victor Tadashi, Katarine Domingues, talo do Valle, Bernardo Moniz. Este trabalho no seria possvel sem a ajuda e contribuio de cada um. Agradeo a todos os professores, com os quais tive inmeros aprendizados durante o curso de graduao. Agradeo aos meus amigos de curso e de infncia, de grande importncia na minha vida acadmica e pessoal. Agradeo minha me, irm e avs, por todo o apoio, incentivo, dedicao e zelo que me proporcionaram durante toda a vida. Agradeo minha namorada, Raffaelle Alonso, por sempre estar ao meu lado, por todo o afeto, amor, carinho e amizade. Obrigado por me fazer feliz. Agradeo a todos que contriburam direta ou indiretamente para este trabalho. RESUMO Os aos AISI 4340 so aos de alta resistncia empregados nos mais diversos segmentos da indstria metal-mecnica. O processo de usinagem por retificao, sendo a ltima operao qual os componentes usinados so submetidos, tem grande importncia no estado final de tenses residuais que ir influenciar a vida em servio destes componentes. Assim sendo, o conhecimento do estado de tenses desempenha importante papel, pois, dependendo da natureza e da magnitude destas tenses, elas sero benficas ou deletrias vida til dos componentes retificados. O presente trabalho tem por objetivo o estudo da influncia dos parmetros de retificao na gerao de tenses residuais em amostras retificadas de ao AISI 4340, pela tcnica de difrao de raios-X e mtodo do sen2. As avaliaes de rugosidade das amostras retificadas e a anlise da microdureza complementam o estudo. Os resultados mostraram que a influncia da variao da velocidade da pea nas tenses residuais se mostrou significativamente maior que o impacto causado pela alterao da profundidade de corte. Palavras-Chave: ao AISI 4340, usinagem, retificao, tenses residuais, difrao de raios-X. ABSTRACT AISI 4340 is a high strength steel used in many parts of the mechanical industry. Grinding is generally the final machining process, and has a great influence on the residual stress state, which directly affects the component service life. Therefore, comprehending these stresses is important and necessary, as depending on its nature and magnitude, they can be either harmful or advantageous. In this paper, the residual stress of AISI 4340 grinded samples were measured and analyzed by X-ray diffraction technique with sen2 method. The influence of the cutting parameters was evaluated, and the roughness and microhardness of the samples were also measured. The results demonstrated that the residual stress is more affected by the variation of the workspeed than by the modification of the grinding depth. Key-Words: 4340 steel, machining, grinding, residual stress, X-ray diffraction. LISTA DE ILUSTRAES Figura 2.1 Superposio das TR tipos I, II e III, f. 16. Figura 2.2 Reduo da tenso resultante aplicada no componente devido presena de tenso residual de natureza compressiva, f. 17. Figura 2.3 Espalhamento e difrao de raios-X, f. 19. Figura 2.4 Sistema de coordenadas polares, f.20. Figura 2.5 Estado de tenso no material em funo de 2 e sen, f. 21. Figura 2.6 Rebolos utilizados na retificao plana, f. 23. Figura 2.7 - Rebolo de xido de alumnio (Al2O3) branco para retificao plana, f. 23. Figura 2.8: Endentador piramidal Vickers, f. 27. Figura 3.1 Amostras, f. 28. Figura 3.2 Retificadora, f. 30. Figura 3.3 Retificadora plana tangencial Benner rvk-4515, f.30. Figura 3.4 Analisador de tenses XStress300, f. 31. Figura 3.5 Direes de medio das tenses residuais na superfcie das amostras, f. 32. Figura 3.6 Rugosmetro Taylor Robson, f.33. Figura 3.7 Vista superior da amostra para anlise da rugosidade, f.33. Figura 3.8: Microdurmetro digital Time Group HVS-1000, f.34. Figura 4.1 Tenses residuais longitudinais e transversais amostras 1, 2 e 3, f. 37. Figura 4.2 - Tenses residuais longitudinais e transversais amostras 4, 5 e 6, f. 37. Figura 4.3 - Tenses residuais longitudinais e transversais amostras 7, 8 e 9, f. 38. Figura 4.4 - Tenses residuais longitudinais e transversais amostras 10, 11 e 12, f. 39. Figura 4.5 Tenses residuais transversais em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte, f. 41. Figura 4.6 Tenses residuais transversais em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte separadamente, f. 42. Figura 4.7 Tenses residuais longitudinaisem funo da velocidade da pea e da profundidade de corte, f. 43. Figura 4.8 - Tenses residuais longitudinais em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte separadamente, f.44. Figura 4.9 Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostra 1 e 4, f. 46. Figura 4.10 Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostra 2 e 5, f. 46. Figura 4.11 Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostra 3 e 6, f.46. Figura 4.12 Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostra 7 e 10, f. 46. Figura 4.13 Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostra 8 e 11, f. 47. Figura 4.14 Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostra 9 e 12, f. 47. Figura 4.15 Rugosidade em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte, f. 49. Figura 4.16 - Rugosidade em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte separadamente, f. 50. Figura 4.17: Microdureza Vickers amostras 1, 2 e 3, f. 51. Figura 4.18: Microdureza Vickers amostras 4, 5 e 6, f. 52. Figura 4.19: Microdureza Vickers amostras 7, 8 e 9, f. 52. Figura 4.20: Microdureza Vickers amostras 10, 11 e 12, f. 53. LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 Composio qumica do ao AISI 4340 (% em peso), f. 28. Tabela 3.2 Propriedades mecnicas do ao AISI 4340 (% em peso), f. 28. Tabela 3.3 Parmetros de corte, f. 31. Tabela 3.4 Parmetros de medio das tenses residuais, f. 32. Tabela 4.1 Tenses residuais transversais e longitudinais, f. 35. Tabela 4.2 - Tenses residuais transversais e longitudinais mdias, f. 36. Tabela 4.3 Testes estatsticos para as tenses residuais, f. 40. Tabela 4.4 Teste paramtrico de anlise das varincias para as tenses residuais, f. 41. Tabela 4.5 - Testes estatsticos da rugosidade Ra, f. 48. Tabela 4.6 - Teste paramtrico de anlise de varincias para a rugosidade Ra, f. 48. Tabela 4.7 - Microdureza Vickers (HV) das amostras, f. 51. SUMRIO 1 INTRODUO, P.13 2 REVISO BIBLIOGRFICA, P.14 2.1 AO AISI 4340, P.14 2.2 TENSES RESIDUAIS, P.14 2.2.1 TCNICAS DE MEDIO DE TENSES RESIDUAIS, P.17 2.2.1.1 Mtodo da Difrao de Raios-X, P.18 2.3 PROCESSO DE USINAGEM POR RETIFICAO, P.22 3 MATERIAIS E MTODOS, P.28 3.1 MATERIAIS, P.28 3.2 PREPARAO DAS AMOSTRAS, P.29 3.2.1 TRATAMENTO TRMICO DE ALVIO DE TENSES, P. 29 3.2.2 RETIFICAO, P. 29 3.3 ANLISE DAS TENSES RESIDUAIS, P.31 3.4 ANLISE DA RUGOSIDADE, P.32 3.5 ENSAIOS DE MICRODUREZA, P.34 4 RESULTADOS, P.35 4.1 ANLISE DAS TENSES RESIDUAIS, P.35 4.2 ANLISE DA RUGOSIDADE, P.45 4.3 ANLISE DA MICRODUREZA, P.51 5 CONCLUSES, P.54 6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS, P.55 7 - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS,P.56 13 1 INTRODUO Os aos AISI 4340, por apresentarem elevada resistncia mecnica, so amplamente utilizados na indstria, possuindo aplicaes em diversos segmentos, tais como o aeronutico, a indstria automotiva e a construo naval. Devido as grandes solicitaes as quais esto expostos, importante o conhecimento de mecanismos que promovam a melhora da vida til dos componentes fabricados com este ao. As tenses residuais esto presentes em todos os componentes mecnicos e influenciam diretamente a vida til, a vida em fadiga e a resistncia corroso das peas. Est bem estabelecido que as tenses trativas so deletrias, visto que se somam s solicitaes de servio impostas ao material, colaborando para a propagao de trincas e possibilitando a ruptura inesperada e prematura de uma pea que estaria, aparentemente, isenta de tenses residuais. Por outro lado, as tenses residuais compressivas trazem benefcios ao material, pois aumentam a resistncia corroso sob tenso e a vida em fadiga, impedindo a nucleao e a propagao de trincas. O conhecimento das tenses residuais geradas no processo retificao tem grande importncia, pois, sendo um processo de usinagem de acabamento, a ltima etapa na fabricao dos componentes usinados. O estado de tenses gerado neste processo ser aquele da pea em servio. Sabe-se, por exemplo, que a predominncia de efeitos trmicos, como a gerao de calor devido ao aumento da velocidade de corte (velocidade do rebolo), resulta na tendncia de um estado de tenses de trao, ao passo que se prevalecerem as deformaes plsticas, as tenses na superfcie tendero para a compresso. Assim sendo, a correta seleo dos parmetros de usinagem empregados na retificao, bem como o tipo e as condies do rebolo influenciaro a natureza, a distribuio e a magnitude das tenses geradas no processo. Dessa forma, este trabalho tem como objetivos analisar as tenses residuais oriundas da retificao plana de amostras de ao AISI 4340, bem como avaliar a influncia dos parmetros de usinagem nas tenses geradas e analisar a rugosidade das amostras retificadas. 14 2 REVISO BIBLIOGRFICA 2.1 AO AISI 4340 O ao AISI 4340 classificado como ao de alta resistncia mecnica, sendo amplamente utilizado na fabricao de componentes mecnicos sujeitos ao de tenses dinmicas, suportando elevados nveis de solicitao. Tipicamente, empregado nas indstrias aeronutica, aeroespacial, automotiva e de leo e gs. Esse material usado na fabricao de virabrequins para aeronaves e tratores, bem como trens de pouso, eixos de turbinas, engrenagens, calandras e geradores hidrulicos, hastes de martelo para forjamento em matriz fechada, luvas e rvores de laminadores (NETO et al., 2015). O ao AISI 4340 combina alta tenacidade, resistncia mecnica e fadiga, apresentando fcil usinabilidade e forjabilidade. Possui boa ductilidade (quando recozido), e pode ser submetido a processos de conformao mecnica e soldagem (ABDALLA et al., 2010). Com relao aos tratamentos trmicos neste ao, a tmpera realizada a uma temperatura de 850C, com resfriamento em leo. A normalizao feita a 900C para alta resistncia (acima de 1350 MPa), com resfriamento ao ar, enquanto que a temperatura de revenido depende da resistncia que se deseja obter (quanto menor a resistncia, maior a temperatura a ser utilizada). Assim, como exemplo, um limite de resistncia prximo a 1800 MPa ter uma temperatura de revenido a cerca de 230C, enquanto que limites de resistncia entre 850 MPa e 1350 MPa tero uma temperatura por volta de 500C (ANAZAWA et al., 2012). 2.2 TENSES RESIDUAIS As tenses residuais (TR) so tenses auto - equilibradas existentes nos materiais, na ausncia de gradientes de temperatura e sem a presena de carregamentos externos (MACHERAUCH & KLOOS, 1987). Ou seja, todo o sistema est sob condies de 15 temperatura uniforme e permanece em equilbrio, onde a resultante das foras e dos momentos produzidos zero. As TR possuem trs origens principais, que atuam de forma individual ou combinada, sendo divididas em: deformaes plsticas, transformaes de fases metalrgicas e efeitos trmicos. Assim, elas se formam por meio de tratamentos trmicos, como a tmpera, ensaios mecnicos (compresso, trao, cisalhamento), processos de soldagem, fundio, conformao mecnica (forjamento, trefilao, extruso, entre outros) e usinagem (torneamento, fresamento, retificao, entre outros). Dessa forma, todos os processos de fabricao e tratamentos so geradores desse tipo de tenso, presentes em todos os componentes mecnicos (ROSSINI et al., 2012). Quanto a sua classificao, so divididas em trs tipos (WHITERS et al., 2008): a) Tenses Residuais Macroscpicas (tipo I) ou Macro tenses so tenses que se equilibram nos limites de uma amostra inteira, ou de uma determinada pea, se estendendo ao longo de vrios gros do componente. So causadas por deformaes plsticas, devido a condies mecnicas, trmicas ou qumicas que afetam grandes pores volumtricas do material. b) Tenses Residuais Microscpicas (tipo II) ou Micro tenses so tenses que se equilibram nos limites dos contornos de um gro (mantendo uma distribuio uniforme sobre ele) ou entre gros vizinhos, originadas por deformaes plsticas microscpicas. c) Tenses Residuais Submicroscpicas (tipo III) ou Submicrotenses so tenses que se equilibram nos limites de uma ou de algumas clulas unitrias, originadas por falhas na rede cristalina. Para a determinao do estado de tenses presente em certo ponto do componente, utiliza-se a superposio dos trs tipos de tenso, sendo a macro tenso uma mdia das tenses tipo I, II e III de determinado local, de acordo com a Figura 2.1. 16 Figura 2.1: Superposio das TR tipos I, II e III. Fonte: WITHERS, 2001. Quanto a sua natureza, as TR podem ser trativas ou compressivas, podendo ser deletrias ou benficas de acordo com a intensidade, distribuio e tipo de carregamento a que o componente est submetido. As tenses de trao so prejudiciais, pois se somam as solicitaes trativas aplicadas no material, contribuindo para propagao de trincas e possvel ruptura prematura da pea. J as tenses de compresso so opostas s solicitaes trativas, reduzindo o carregamento aplicado no material, dificultando a nucleao e propagao de trincas, sendo, portanto, benficas ao componente, de acordo com a Figura 2.2 (SCHOLTES, 2007). 17 Figura 2.2: Reduo da tenso resultante aplicada no componente devido presena de tenso residual de natureza compressiva. Fonte: CINDRA FONSECA, 2000. Na usinagem, assim como em qualquer outro processo de fabricao, as tenses residuais so consequncia da operao. A usinagem est sempre associada a deformaes elsticas e plsticas, bem como produo de calor na zona de corte, alteraes dos defeitos da rede cristalina e transporte de cavaco sobre a superfcie usinada, fatores que resultam em um estado de tenses que dependem, principalmente, das condies de corte utilizadas, capazes de provocar nos materiais tenses trativas, compressivas, ou at mesmo com efeito combinado de ambas (SINGH et al., 2015). 2.2.1 Tcnicas de Medio de Tenses Residuais Os mtodos mais comuns para a determinao das tenses residuais so divididos em mtodos destrutivos e no destrutivos. As tcnicas destrutivas promovem a remoo de material e alvio das tenses no local de medio, medindo a deformao provocada por essa remoo para a anlise das tenses. Esse tipo de tcnica tem a desvantagem de, em alguns casos, inviabilizar o uso do componente analisado. Como so exemplos de tcnicas destrutivas h o mtodo do seccionamento e do furo cego. No primeiro, so realizados cortes longitudinais ou transversais ao eixo de peas assimtricas. No ltimo, um furo no passante feito na superfcie da pea, e o clculo das tenses feito atravs da diferena dos estados inicial e 18 final de deformaes, lido por meio de extensmetros instalados na vizinhana do local do furo (ROSSINI et al., 2012). As tcnicas no destrutivas so capazes de medir as tenses sem a necessidade de remoo de material e sem prejudicar ou provocar danos na pea. Analisam todas as tenses existentes, dos trs tipos. Como exemplo, tem-se o mtodo da difrao de nutrons (com incidncia de um feixe de nutrons no material), o mtodo ultrassnico (com variao das velocidades de ondas ultrassnicas no componente), o mtodo magntico (com relao entre propriedades magnticas, permeabilidade, induo e efeito Barkhausen) e o mtodo da difrao de raios-X (YELBAY et al., 2010). 2.2.1.1 Mtodo da Difrao de Raios-X A tcnica de difrao de raios-X permite a anlise sem causar danos ao material, alm de ser realizada por equipamentos portteis, capazes de medir os trs tipos de tenses. O mtodo tem como base o princpio da difrao de raios-X para materiais cristalinos e a teoria da elasticidade, partindo-se da premissa de que os raios-X que incidem no material possuem seu comprimento de onda da ordem do tamanho do espaamento interatmico de uma mesma estrutura cristalina (CINDRA FONSECA, 2000). Em um estado inicial, onde no h deformao, o material possui uma distncia interplanar entre seus planos cristalinos. Um feixe paralelo de raios-X, de comprimento de onda , incide na superfcie do material segundo um determinado ngulo de incidncia . Este feixe difratado sob o mesmo ngulo , de acordo com a Lei de Bragg (Equao 2.1): (2.1) Nessas condies, ao utilizar raios-X monocromticos, que possuem um comprimento de onda constante, o valor do ngulo , referente a uma intensidade mxima de difrao, depende da distncia interplanar (Figura 2.3). 19 Figura 2.3: Espalhamento e difrao de raios-X. Fonte: Callister, 2007. Modificado. Segundo a teoria da elasticidade, as seguintes relaes so verdadeiras: Tenso: (2.2) Deformao: (2.3) Lei de Hooke (relao entre tenso e deformao) para estado uniaxial de tenso: (2.4) 20 Onde: E o mdulo de elasticidade do material. Estando o material sob uma tenso , distncia interplanar varia de um valor , sendo d a distncia entre os planos no material tensionado, o que ocasiona a deformao na rede cristalina do material. Nessas condies, a variao do ngulo de difrao igual a . Diferenciando a lei de Bragg (equao 2.1), chega-se a: (2.5) Para a tensometria por raios-X, a equao 2.6 representa a deformao no sistema de coordenadas polares, nas direes (ngulo polar) e (ngulo azimutal): (2.6) No sistema de coordenadas polares, Figura 2.4, temos: Figura 2.4: Sistema de coordenadas polares. Fonte: CINDRA FONSECA, 2000. 21 A seguinte equao valida: (2,7) Mantendo fixo o ngulo e determinando a diferena entre as deformaes em duas direes diferentes segundo o ngulo , obtida a equao utilizada na tensometria por raios-X para a anlise das tenses residuais: (2.8) Pela equao 2.8, a tenso residual presente no componente diretamente proporcional derivada de , em funo de . Tem-se, ento, a seguinte representao da natureza das tenses variando-se os ngulos em funo de : Figura 2.5: Estado de tenso no material em funo de e . Fonte: CINDRA FONSECA, 2000. 22 2.3 PROCESSO DE USINAGEM POR RETIFICAO A retificao um processo de usinagem por abraso que tem por finalidade alta preciso dimensional e geomtrica, aliado a um elevado grau de qualidade superficial, sendo, por isso, amplamente utilizada na indstria mecnica. empregada, muitas vezes, como processo final de fabricao, conferindo um timo acabamento na superfcie de peas previamente usinadas (materiais torneados ou fresados, por exemplo), alm de ser capaz de reduzir rugosidades e remover finas camadas de material endurecido por tmpera, nitretao ou cementao (BIANCHI et al., 2003). A seleo adequada dos parmetros de retificao como o tipo de rebolo, o tipo e a quantidade de fluido de corte e os parmetros de usinagem afetam diretamente a qualidade superficial do material (PALA et al., 2008). As principais operaes de retificao so a cilndrica, cilndrica sem centros e plana. Quanto ao seu movimento, a retificao pode ser manual, semiautomtica e automtica. a) Retificao Plana responsvel por retificar peas de superfcie plana. Uma placa magntica presa mesa retificadora, que pode movimentar-se de forma transversal e longitudinal. A mesa, ento, desloca-se e faz a pea passar pelo rebolo, proporcionando a sua usinagem. A retificao plana pode ser tangencial de eixo horizontal ou frontal de eixo vertical. A primeira utiliza a periferia do rebolo para o corte (rebolo cilndrico reto), enquanto ltima a parte plana do rebolo (rebolo tipo anel), conforme figura 2.6 (MAGNANI, 2013). Figura 2.6: Rebolos utilizados na retificao plana. Fonte: ESSEL. 23 Figura 2.7: Rebolo de xido de alumnio (Al2O3) branco para retificao plana. Fonte: Fabricante Norton. b) Retificao Cilndrica responsvel por retificar peas cilndricas, podendo ser externa ou interna. Na externa, a pea e o rebolo esto em rotao, e no contato ocorre a remoo de material. O avano pode ser do tipo lateral, no qual o rebolo avana paralelamente ao eixo de rotao da pea, ou do tipo mergulho, no qual o rebolo avana radialmente pea. J na retificao cilndrica interna, com a pea e rebolo em movimento, a retirada de material acontece por avano transversal ou por avano de mergulho (MAGNANI, 2013). c) Retificao sem centros responsvel por retificar peas cilndricas externas e internas, com a diferena de que a pea no mantida em um meio de fixao. H dois rebolos, o rebolo de retificao, que realiza o corte, e o rebolo regulador, capaz de controlar o avano da pea. Esse tipo de retificao muito utilizada na produo em srie, devido ao menor tempo de usinagem (MAGNANI, 2013). A ferramenta de corte na retificao o rebolo, formado por gros aglomerantes e abrasivos, onde cada gro responsvel por fazer um microcorte na pea, o que leva a uma elevada qualidade superficial. Na escolha de um rebolo, devem ser considerados cinco parmetros para anlise, a saber: o tipo de material abrasivo, a granulometria, o tipo de material aglomerante, o grau de dureza do rebolo e a estrutura do rebolo (DIAS, 2013). A escolha do material abrasivo deve ocorrer de acordo com o material a ser retificado. De maneira geral, so desejveis propriedades como elevada dureza (superior do material usinado), resistncia ao desgaste (para maior vida til da ferramenta de corte), tenacidade e friabilidade, que diz respeito capacidade da aresta do gro desgastado fraturar, revelando uma nova aresta para a operao de corte (GROOVER, 2010). Entre os principais abrasivos, tem-se o xido de alumnio (Al2O3), mais comum, usado na retificao de aos, 24 ligas ferrosas e de alta resistncia, e o carbeto de silcio (SiC), que possui maior dureza e menor resistncia, indicado para a usinagem de alumnio e ferros fundidos. Alm disso, tambm pode ser utilizado com abrasivo o nitreto cbico de boro (CBN), para materiais endurecidos, e o diamante, para materiais endurecidos e cermicas (MENDES, 2011). A granulometria tem relao com a qualidade superficial final da pea e com a taxa de remoo de material. Gros de tamanho reduzido proporcionam melhores acabamentos e baixas taxas de remoo de material, ao passo que gros maiores resultam em qualidade inferior e altas taxas de remoo (GROOVER, 2010). O material aglomerante responsvel por manter a forma do rebolo, por meio da unio dos gros. Por essa razo, os aglomerantes devem ser capazes de suportar altas temperaturas de trabalho. Como principais materiais, tem-se o aglomerante vitrificado, feitos a base de argila e que no reagem com gua e leo (fluidos de corte), o aglomerante resinoide, de alta dureza para usinagens de alta velocidade, e o aglomerante de borracha, mais flexvel. Tambm pode ser usado o aglomerante silicoso, fabricado de silicato de sdio (Na2SO3), e o aglomerante metlico, feito de bronze e para rebolos de CBN e diamante (MENDES, 2011). A estrutura do rebolo mostra a distncia entre os gros abrasivos. Ela pode ser aberta, com um grande nmero de espaos vazios (poros) e uma pequena proporo de gros abrasivos no volume do rebolo, ou fechada, onde os poros esto em pequena proporo, ao passo que os gros esto em maior quantidade. J a dureza do rebolo diz respeito capacidade do rebolo de se manter presos aos gros. Rebolos macios tendem a perder gros com maior facilidade, e so indicados para baixas taxas de remoo, enquanto que rebolos duros retm os gros abrasivos, indicados para maiores taxas de remoo (GROOVER, 2010). Como toda ferramenta de corte, o rebolo sofre desgaste com o decorrer de seu uso. Os mecanismos de desgaste acontecem por trs meios: pela fratura dos gros abrasivos, pelo desgaste devido abraso e pela fratura do aglomerante. A fratura do gro tem relao com a friabilidade, onde parte do gro se quebra, e uma nova aresta de corte surge no lugar. No desgaste por abraso, a arestas adquirem forma arredonda, prejudicando o corte a qualidade final da superfcie. Por fim, a fratura do aglomerante ocorre quando os gros se desprendem do rebolo, caracterstica mais comum em gros cegos, que tiveram a capacidade de corte desgastada (GROOVER, 2010). 25 Os fluidos de retificao (fluidos de corte) possuem as mesmas finalidades que nos demais processos de usinagem, servindo, principalmente, para remoo do calor, retirada do cavaco formado e lubrificao da rea retificada. So usados fluidos a base de leo, leo solvel, sintticos (soluo) e semissintticos, onde os leos possuem maior poder de lubrificao e os fluidos de corte sintticos tm maior capacidade de reduo da temperatura (retirada do calor) (MONICI et al., 2001). Os elevados atritos gerados no processo de fabricao um fator de extrema importncia que contribui para o estado final da superfcie retificada. Desta forma, o desenvolvimento de fluidos de corte com maior capacidade de reduo do atrito, atravs da correta lubrificao da regio retificada, fundamental (MINKE, 1999). As temperaturas no processo de retificao so elevadas na zona de usinagem, o que pode causar danos trmicos pea. Assim, nesse processo de fabricao, os fluidos de corte so utilizados, principalmente, para a remoo de calor. A ineficiente aplicao do fluido de corte durante o processo de retificao impede a penetrao dos fluidos na barreira de ar que circunda o rebolo quando est em movimento. Essa ineficincia resulta em um maior nmero de afiaes da ferramenta durante uma dada operao de retificao (BIANCHI et al., 2003). A velocidade com que o jato de fluido de corte deve penetrar na regio de contato deve ser igual velocidade perifrica do rebolo, a fim de que haja o rompimento efetivo da barreira aerodinmica, permitindo ao fluido de corte exercer sua funo refrigerante de forma otimizada (BIANCHI et al., 2003). A rugosidade um conjunto de desvios micro geomtricos, caracterizados pelas pequenas salincias e reentrncias presentes em uma superfcie. Assim, a rugosidade pode ser definida como o desvio da superfcie geomtrica ideal. Os sistemas mais comuns de medio da rugosidade so o analisador de contato mecnico e os sistemas pticos (ICERI et al., 2012). As rugosidades decorrentes do processo de retificao so salincias presentes na superfcie usinada, responsveis por diminuir o nvel de acabamento do componente, causadas, principalmente, devido a folgas nos eixos, inconstncias no movimento das mesas e desbalanceamento do rebolo. A rugosidade diretamente influenciada pelas variveis do processo e pelas caractersticas do material retificado (ICERI et al., 2012). 26 O acabamento final uma das qualidades mais importantes das peas, pois influencia de forma significativa a resistncia fadiga do material. A refrigerao, o tamanho dos gros abrasivos que compe o rebolo, as condies de dressagem e a taxa de remoo de material (espessura especfica) tm grande influncia na qualidade final da superfcie (ICERI et al., 2012). O estudo das tenses residuais nos processos de retificao de elevada importncia. Como qualquer outra operao de fabricao, a retificao responsvel por introduzir tenses residuais na pea final. A natureza e a distribuio dessas tenses na superfcie e nas profundidades prximas superfcie do material influenciam diretamente a qualidade do componente, bem com afetam a confiabilidade e vida til da pea, podendo lev-la a uma ruptura inesperada e prematura (BALART et al., 2003). Os parmetros de corte utilizados na retificao influenciam diretamente nas tenses residuais da pea. O uso de uma velocidade de corte (velocidade do rebolo) elevada e/ou uma refrigerao deficiente (inadequada ou insuficiente) resulta em alta gerao de calor e efeitos trmicos dominantes, predominando tenses trativas no material. J a predominncia de deformaes plsticas resultar em traes de compresso na superfcie. Efeitos trmicos e mecnicos combinados tendem a formar tenses compressivas na superfcie e trativas nas profundidades prximas. A utilizao de maiores velocidades da mesa resulta em tenses residuais compressivas, devido a um menor aporte de calor ocasionado por um menor tempo de contato entre o rebolo e a pea (KRUSZYNSKI & WJCIK, 2001). Por fim, o tipo e o estado do rebolo tm influncia direta nas tenses residuais superficiais. Rebolos mais duros tendem a gerar um estado de tenses compressivas. Assim, rebolos que possuem seus gros mais bem presos (um rebolo de CBN, por exemplo) resultam em tenses benficas, enquanto que rebolos com menor dureza tendem a gerar tenses deletrias (um rebolo de Al2O3, por exemplo). De forma similar, rebolos com maior grau de desgaste tendem a introduzir tenses trativas no material, de modo que a utilizao de um rebolo novo e/ou com aplicao do processo de dressagem de suma importncia (MONICI et al., 2001). 27 2.4 MICRODUREZA VICKERS A dureza uma propriedade mecnica que mensura a resistncia deformao plstica localizada em determinado material, sendo medida atravs da relao entre a fora aplicada e a rea de endentao. Os ensaios de dureza e microdureza so frequentemente realizados, j que, no geral, so ensaios relativamente simples, no destrutivos e capazes de fornecer informaes sobre outras propriedades mecnicas, como a tenso limite de resistncia (CALLISTER, 2009). O ensaio de microdureza Vickers mede a dureza por meio de um pequeno endentador de diamante com geometria piramidal de base quadrada (Figura 2.8) que aplica uma carga na superfcie da amostra. A impresso resultante analisada em microscpio, e a mensurao convertida em um nmero de dureza HV. um ensaio adequado para pequenas amostras e regies, no qual se utiliza um tempo de aplicao da carga de 10 a 15 segundos (CIMM, 2017). Figura 2.8: Indentador piramidal Vickers. Fonte: TWI, 2017. A dureza Vickers o quociente obtido dividindo a carga (em kgf) pela rea da indentao: (2.9) Onde F a carga em Kgf, d a mdia aritmtica entre as duas diagonais d1 e d2 e HV a dureza Vickers (CIMM, 2017). 28 3 MATERIAIS E MTODOS 3.1 MATERIAIS Para o estudo do presente trabalho foram utilizadas 12 amostras de ao AISI 4340 de dimenses 55 x 10 x 10 mm, conforme a Figura 3.1. Figura 3.1: Amostras. A composio qumica do material e suas propriedades mecnicas esto apresentadas nas tabelas 3.1 e 3.2, respectivamente. Tabela 3.1: Composio qumica do ao AISI 4340 (% em peso). C Mn Si P S Cr Ni Mo V Co Al Cu 0,39 0,72 0,25 0,01 0,025 0,75 1,72 0,24 0,01 0,01 0,05 0,04 Fonte: Fabricante. Tabela 3.2: Propriedades mecnicas do ao AISI 4340 (% em peso). Tenso Limite de Escoamento LE (MPa) Tenso Limite de Resistncia LR (MPa) 800 1200 Fonte: Fabricante. 29 3.2 PREPARAO DAS AMOSTRAS 3.2.1 Tratamento Trmico de Alvio de Tenses O tratamento trmico de alvio de tenses foi realizado no Laboratrio de Metalografia e Tratamentos Trmicos (LABMETT) do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade Federal Fluminense (UFF). As amostras foram aquecidas em atmosfera controlada de argnio (Ar) at a temperatura de 650C durante 40 minutos, seguido de resfriamento gradual dentro do forno at a temperatura ambiente. 3.2.2 Retificao A retificao das amostras foi realizada no Laboratrio de Tecnologia Mecnica (LTM) do Departamento de Engenharia Mecnica da UFF utilizando-se a retificadora plana tangencial Benner modelo rvk 4515 (Figuras 3.2 e 3.3). Para a retificao, foi empregado um rebolo convencional de xido de alumnio (AL2O3) branco, com dimetro externo de 205 mm, furo de 31,8 mm e largura de 13 mm. Alm disso, foi aplicado o fluido de corte sinttico SyncutBio 600, que um fluido de corte solvel do fabricante Indy Oil, indicado para operaes de retificao em aos de baixa, mdia e alta dureza. Vale ressaltar que no havia disponvel a quantidade ideal de fluido de corte, de tal forma que a retificao aconteceu sem jorro contnuo e sem vazo constante, fato que pode ter contribudo para o estado final de tenses. Por fim, importante salientar que a dressagem do rebolo foi realizada, com ponta de diamante, a cada trs processos de retificao, de modo que a influncia do desgaste do rebolo na natureza e magnitude das tenses fosse a mnima possvel. As Figuras 3.2 e 3.3 representam a retificadora. O componente A o compartimento no qual o rebolo fixado. Em B a velocidade superficial da pea (velocidade da mesa) controlada, enquanto que C a fonte e D a mesa magntica, onde o material preso magneticamente para a retificao. 30 Figura 3.2: Retificadora tangencial Benner modelo rvk 4515. Fonte: Manual. Figura 3.3: Retificadora plana tangencial Benner rvk-4515. Foi utilizado um experimento fatorial completo 2 (somente 2 fatores), com 3 replicatas para cada combinao de velocidade e profundidade, totalizando as 12 amostras. Como parmetros de retificao, a velocidade de corte (Vc) foi fixada em 30 m/s, as velocidades da pea (Vw) foram 10 m/min e 16 m/min, enquanto que as profundidades de corte (ap) foram 0,05 e 0,1 mm, conforme esquematizado na Tabela 3.3. 31 Tabela 3.3 Parmetros de corte. Amostra Profundidade de corte (ap) (mm) Velocidade superficial da pea (Vw) (m/min) 1 0,05 16 2 3 4 10 5 6 7 0,1 16 8 9 10 10 11 12 3.3 ANLISE DAS TENSES RESIDUAIS A medio das tenses residuais foi realizada no Laboratrio de Anlise de Tenses (LAT) do Departamento de Engenharia Mecnica da UFF. Para tanto, foi utilizada a tcnica da tensometria por difrao de raios-X, pelo mtodo do sen2 e demais parmetros conforme a Tabela 3.4. O equipamento utilizado foi o analisador de tenses XStress 3000 ( Figura 3.4). Figura 3.4: Analisador de tenses XStress 3000. 32 Tabela 3.4 Parmetros de medio das tenses residuais. Parmetro Valor Padro Dimetro do colimador (mm) 2 ngulo de incidncia 2 (grau) 156,41 Plano de difrao {hkl} (211) Radiao Comprimento de onda ( ) Corrente do tubo de raios-X (mA) 6,7 Tenso do tubo de raios-X (kV) 30 ngulos de inclinao (grau) 0, 20,7, 30, 37,8, 45 Tempo de exposio (s) 25 As tenses foram medidas e analisadas nas direes longitudinal (L) e transversal (T) em um nico ponto da parte central de cada superfcie retificada (Figura 3.5). Figura 3.5: Direes de medio das tenses residuais na superfcie das amostras. 3.4 ANLISE DA RUGOSIDADE A medio da rugosidade (Ra) das amostras foi realizada no Laboratrio de Anlise de Tenses, com o equipamento concedido pelo Laboratrio de Metrologia Dimensional e Computacional, ambos do Departamento de Engenharia Mecnica da UFF. Utilizou-se o rugosmetro Taylor HobsonSurtronic S25 (Figura 3.6) na mensurao da rugosidade mdia. Foi empregado um comprimento de medio L = 4,00 mm e um comprimento de amostragem 33 Lc = 0,80 mm. O apalpador possui uma ponta com raio de 5m, oferecendo uma resoluo de 0,01 m, com preciso de 2% do valor medido. As medies foram realizadas na direo longitudinal. Figura 3.6: Rugosmetro Taylor Robson. Fonte: Fabricante. Para as medies, a superfcie retificada foi dividida em 3 vias no eixo y e 10 vias no eixo x, totalizando 30 regies medidas por amostra, Figura 3.7. Figura 3.7: Vista superior da amostra para anlise da rugosidade. 34 3.5 ENSAIOS DE MICRODUREZA Os ensaios de microdureza Vickers foram realizados no Laboratrio de Metalografia e Tratamentos Trmicos (LABMETT) do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade Federal Fluminense (UFF), utilizando um microdurmetro Vickers digital (Figura 3.8), da marca Time Group, modelo HVS-1000, com aplicao de carga de 0,98 N, por 15 segundos para cada endentao, conforme ASTM E384-16. Foram realizadas 5 medio por amostra. Figura 3.8: Microdurmetro digital Time Group HVS-1000 (LABMETT/UFF) 35 4 RESULTADOS E DISCUSSO 4.1 ANLISE DAS TENSES RESIDUAIS As tenses residuais superficiais foram analisadas aps o tratamento trmico de alvio de tenses e apresentaram valor mdio de -15 MPa na direo transversal e -18 MPa na direo longitudinal. Aps a retificao, as tenses residuais foram analisadas. A Tabela 4.1 apresenta as tenses residuais nas direes transversal (T) e longitudinal (L) aps o processo. Tabela 4.1: Tenses residuais longitudinais (L) e transversais (T) aps a retificao. Amostra Profundidade de corte (ap) (mm) Velocidade da mesa (Vw) (m/min) Tenses residuais (L) (MPa) Tenses residuais (T) (MPa) 1 0,05 16 25 6 -130 6 2 105 5 -115 13 3 -25 3 -105 6 4 10 685 19 490 25 5 405 4 150 5 6 290 10 185 3 7 0,1 16 20 5 -170 5 8 -35 8 -205 8 9 75 4 -135 11 10 10 300 19 150 3 11 665 12 510 18 12 335 15 225 10 36 Para melhor visualizao das tenses, foram obtidas as tenses mdias para superfcies retificadas com os mesmos parmetros de corte. Estes resultados esto apresentados na Tabela 4.2. Tabela 4.2: Tenses residuais longitudinais (L) e transversais (T) mdias. Amostra Profundidade de corte (ap) (mm) Velocidade da mesa (Vw) (m/min) Tenses residuais (L) (MPa) Tenses residuais (T) (MPa) 1 0,05 16 35 5 -117 8 2 3 4 10 460 11 275 11 5 6 7 0,1 16 20 6 -170 14 8 9 10 10 433 15 295 10 11 12 Graficamente, as tenses longitudinais e transversais das amostras se comportam conforme apresentado nas Figuras 4.1, 4.2, 4.3 e 4.4. 37 Figura 4.1: Tenses residuais longitudinais e transversais amostras 1, 2 e 3. Figura 4.2: Tenses residuais longitudinais e transversais amostras 4, 5 e 6. As Figuras 4.1 e 4.2 apresentam as tenses longitudinais e transversais das amostras 1, 2, 3, 4, 5 e 6 para a mesma profundidade de corte ap1 = 0,05 mm, sendo o nico parmetro varivel a velocidade superficial da pea. A anlise da Figura 4.1 (vw = 16 m/min) mostra que as tenses residuais longitudinais (na direo do corte) so heterogneas e de baixa 38 magnitude, variando entre trativas e compressivas. Entretanto, na direo transversal as tenses so homogneas e compressivas (em torno de -100 MPa). Alm disso, possvel perceber que as tenses longitudinais das amostras 1, 2 e 3 so prximas de zero. Entretanto, deve-se levar em considerao que h erros envolvidos inerentes a medio, alm do prprio erro do equipamento. Com a reduo da velocidade da mesa (Figura 4.2), as tenses residuais se tornaram exclusivamente trativas em ambas as direes, atingindo elevadas magnitudes (~700 MPa). Observando os resultados, possvel notar que, tal como constatado por Kruszynski & Wjcik (2001), para uma mesma profundidade de corte, as tenses residuais na retificao com maior velocidade da mesa (Vw = 16 m/min) so menos trativas, ou, em alguns casos, so compressivas. Isso significa que, mantidos os demais parmetros constantes, o aumento da velocidade da pea induz tenses compressivas (ou menos trativas) no material, o que explicado pelo fato de que com uma maior velocidade da mesa, menor ser o tempo de contato entre o rebolo e a pea, e um menor aporte de calor ocorre. Assim, o aumento da velocidade superficial da mesa, e consequentemente da pea, trouxe efeitos benficos para o material, tanto na direo longitudinal quanto na transversal. Figura 4.3: Tenses residuais longitudinais e transversais amostras 7, 8 e 9. 39 Figura 4.4: Tenses residuais longitudinais e transversais amostras 10, 11 e 12. As Figuras 4.3 e 4.4 representam a influncia da velocidade da pea nas tenses residuais para uma profundidade de corte constante (ap = 0,1 mm) nas amostras 7, 8, 9, 10, 11 e 12. Analisando as figuras apresentadas, possvel perceber que as tenses das amostras 7, 8 e 9 so predominantemente compressivas, enquanto so trativas nas amostras 10, 11 e 12. Assim, o aumento da velocidade da pea tem um efeito benfico nas tenses residuais superficiais de um material retificado nestas condies. Alm disso, enquanto que nas amostras 7 e 9 o aumento da velocidade da pea reduziu as tenses trativas longitudinais, o aumento desse mesmo parmetro foi responsvel por mudar a natureza das tenses (de trativa para compressiva) nas amostras 7 e 9 direo transversal e na amostra 5 em ambas as direes. Finalizando, vale ressaltar que o aumento da profundidade de corte (de 0,05 mm para 0,1) no influenciou o impacto benfico do aumento da velocidade superficial da pea. No obstante esses resultados serem condizentes quando se leva em considerao a influncia dos parmetros de corte nas tenses residuais, tambm possvel perceber que, ao compararmos as tenses para grupos de amostras com parmetros de corte idnticos (amostras 1, 2 e 3, por exemplo), encontramos tenses distintas quanto magnitude. Entretanto, essa aparente divergncia pode ser explicada por imperfeies durante a retificao, principalmente a utilizao de fluido de corte no modo jorro com vazo intermitente. 40 Est estabelecido na literatura que o processo retificao, por si s, tende a gerar tenses superficiais compressivas. Todavia, pode-se contatar que, no presente trabalho, h a presena de tenses exclusivamente trativas nas direes longitudinal e transversal das amostras 4, 5, e 6 (Figura 4.2) e 10, 11 e 12 (Figura 4.4). Tal fato tambm pode ser explicado por uma aplicao no eficiente do fluido de corte, sobretudo porque a velocidade de aplicao do fluido no foi igual velocidade perifrica do rebolo (BIANCHI et al., 2013), alm de outros fatores externos ao corte que influenciam o estado final de tenses na retificao. Nesse sentido, a utilizao de um rebolo de xido de alumnio (Al2O3) branco traz uma tendncia para tenses trativas (MONICI et al., 2001), fato que pode ter contribudo para a presena de tenses dessa natureza nas referidas amostras. A fim de obter uma melhor anlise da influncia dos parmetros de corte na magnitude e natureza das tenses residuais longitudinais e transversais, foram realizados testes estatsticos de normalidade dos resduos e homogeneidade das varincias (Tabela 4.3). Tabela 4.3: Testes estatsticos para as tenses residuais. Teste Estatstico Valor-p Longitudinal Transversal Normalidade dos Resduos Kolmogorov-Smirnov com correo de Lilliefors 0,200 0,137 Shapiro-Wilk 0,231 0,078 Homogeneidade das varincias Levene 0,078 0,015 Hartley F-max, Cochran C, Bartlett Chi-Sqr 0,272 0,018 Como os valores-p foram superiores a 0,05 (com excees do teste de Levene e Hartley), no se rejeitam as hipteses de normalidade dos resduos e de homogeneidade das varincias. Quanto aos testes de Levene e Hartley, apesar do valor-p ter sido inferior a 0,05, a partir de estudos realizados utilizando a tcnica de Monte Carlo, verifica-se que tais violaes no trazem consequncias graves para as concluses acerca do conjunto de dados sob avaliao. Assim, utiliza-se a estatstica paramtrica na avaliao dos dados (Tabela 4.4). 41 Nesta anlise, quanto mais prximo de zero for o valor-p, maior a influncia do parmetro de corte avaliado. Tabela 4.4: Teste paramtrico de anlise das varincias para as tenses residuais. Parmetro Valor-p TR Longitudinal TR Transversal Velocidade da pea 0,00055 0,00027 Profundidade de corte 0,77648 0,82743 Figura 4.5: Tenses residuais transversais em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte. 42 A partir dos valores-p da Tabela 4.4, possvel notar que a velocidade da pea um parmetro que influencia mais nas tenses residuais do que a profundidade de corte, tanto na direo longitudinal quanto na transversal. Tal relao confirmada pela anlise das Figuras 4.5, 4.6, 4.7 e 4.8. A Figura 4.5 relaciona a influncia de ambos os parmetros de corte (velocidade da pea e profundidade de corte) no estado de tenses superficiais. Pela anlise da figura, possvel perceber que, na mdia, o aumento da velocidade da mesa provocou uma mudana na natureza das tenses residuais, passando de trativas para compressivas. Entretanto, a principal concluso a de que uma variao na velocidade da pea possui uma influncia no estado final de tenses significativamente maior que uma eventual variao na profundidade de corte. As curvas de cores azul e vermelha esto bem prximas uma da outra, o que significa que uma alterao na profundidade de corte no modificou a natureza das tenses e foi responsvel por uma alterao mnima na magnitude das mesmas. J a variao da velocidade da pea no s causou uma alterao expressiva da magnitude como tambm modificou a natureza das tenses. Figura 4.6: Tenses residuais transversais em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte separadamente. 43 A Figura 4.6 refora a discusso anterior. Ao se analisar separadamente a influncia da velocidade da pea e da profundidade de corte nas tenses residuais transversais, nota-se que a sensibilidade da tenso residual quanto velocidade da pea consideravelmente maior que a dependncia da tenso quanto profundidade de corte. Tal entendimento pode ser confirmado ao se analisar as inclinaes das curvas. Compreende-se que a inclinao da curva correspondente velocidade vw elevada, ou seja, uma variao na velocidade capaz de causar uma alterao proporcionalmente maior na tenso residual. Com raciocnio anlogo, a inclinao da curva ap pequena, isto , uma modificao na profundidade de corte resulta em uma mudana proporcionalmente menor na tenso residual. Igual concluso pode ser obtida de forma intuitiva ao se perceber que a curva ap uma reta quase horizontal, quer dizer, a variao da profundidade de corte quase no provoca alterao alguma na tenses residuais, principalmente ao se comparar com a influncia da velocidade da pea, em termos proporcionais. Figura 4.7: Tenses residuais longitudinais em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte. 44 A Figura 4.7 mostra a influncia de ambos os parmetros de corte (velocidade da pea e profundidade de corte) no estado final de tenses residuais longitudinais. De modo semelhante ao que acontece nas tenses transversais, a variao da velocidade da pea resulta em uma interferncia significativamente maior na magnitude das tenses do que a alterao da profundidade de corte. A relao melhor representada na Figura 4.8: Figura 4.8: Tenses residuais longitudinais em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte separadamente. Pelo grfico acima, percebe-se que as tenses longitudinais possuem uma alta sensibilidade em relao s variaes na velocidade, de tal forma que a elevada queda na magnitude das tenses trativas ocorre devido ao aumento de vw de 10 m/min para 16 m/min. Diferentemente, nota-se a influncia reduzida da variao da profundidade de corte na magnitude das tenses, principalmente ao se constatar que a curva representativa da profundidade praticamente horizontal, quando comparada inclinao da curva da velocidade da pea, em termos proporcionais. Por fim, vale ressaltar que, quando se leva em considerao a mdia das tenses, o estado final das tenses longitudinais se revelou mais trativo do que o estado das tenses transversais, sendo que, neste ltimo, o aumento da velocidade da pea provocou uma 45 mudana na natureza das tenses, enquanto que, no primeiro, ocorreu apenas a queda de magnitude das mesmas. 4.2 ANLISE DA RUGOSIDADE Os resultados das anlises de rugosidade (Ra) podem ser verificados nas Figuras 4.9 a 4.14, que representam os mapas do comportamento da rugosidade em cada uma das superfcies retificadas, e esto agrupadas de modo a possibilitar a comparao das superfcies de duas amostras com a mesma profundidade de corte e diferentes velocidades da mesa. Figura 4.9: Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostras 1 e 4. Figura 4.10: Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostras 2 e 5. Figura 4.11: Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostras 3 e 6. 46 Figura 4.12: Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostras 7 e 10. Figura 4.13: Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostras 8 e 11. Figura 4.14: Mapa da rugosidade nas superfcies retificadas amostras 9 e 12. A anlise das Figuras 4.9 a 4.14 permite perceber que a rugosidade das superfcies variou entre 0,04 m e 0,14 m. As cores neutras simbolizam uma menor rugosidade, e, por consequncia, um acabamento de superfcie de melhor qualidade, enquanto que as partes com um tom policromtico (com cores vivas) representam uma rugosidade mais elevada, ou seja, uma superfcie com maior grau de irregularidades. Dessa forma, a cor roxa reproduz as regies da superfcie com a menor rugosidade encontrada, o que ocorreu predominantemente nas amostras com velocidade de 16 m/min, enquanto que a cor laranja a rugosidade mais alta, o que se verificou quase que exclusivamente nas amostras de 10 m/min. Ao se comparar as rugosidades das amostras 1 e 4 da Figura 4.9, fica claro que a qualidade superficial da amostra 1 significativamente melhor que a qualidade superficial da amostra 4, j que nesta a rugosidade maior que naquela. Esse resultado esperado, j que a amostra 1 foi retificada com uma velocidade maior (16 m/min) que a velocidade da amostra 4 47 (10 m/min). Nesse sentido, a amostra 1 (Figura 4.9) apresenta um mapa de rugosidade monocromtico, com cores quase que exclusivamente neutras, onde h a predominncia do azul escuro e at mesmo o roxo, ao passo que a amostra 4 apresenta regies de cores esverdeadas e amareladas, resultante de uma retificao com velocidade reduzida. Esse padro continua nas amostras 2 e 5 (Figura 4.10) e 3 e 6 (Figura 4.11). As amostras 2 e 3, com velocidade de 16 m/min, apresentam, de um modo geral, um mapa de rugosidade com uma qualidade de superfcie mais elevada que a das amostras 5 e 6, que possuem uma velocidade de 10 m/min. O comportamento mantido independentemente da profundidade de corte utilizada. Ao se analisar a Figura 4.14, amostras 9 e 12 (que possuem uma profundidade de corte de 0,1 mm), observa-se tambm que a amostra 9 (vw = 16 m/min) possui uma rugosidade menor, com a prevalncia de cores escuras, enquanto que a amostra 12 apresenta uma superfcie com pior qualidade (cores vivas). A mesma relao observada nas amostras 7 e 10 (Figura 4.12) e 8 e 11 (Figura 4.13). Ademais, possvel dizer que os valores absolutos de rugosidade encontrados (0,04 -0,14 m ) esto dentro do esperado, visto que o processo de retificao uma usinagem que produz um timo acabamento superficial, e que tende a manter valores baixos de rugosidade na faixa de 0,1 m a 2 m, a depender dos parmetros de corte utilizados, bem como de outros fatores como o tipo de rebolo, de fluido de corte e propriedades do material retificado (PUERTO et al., 2013). Alm disso, importante salientar que, mesmo nas amostras com velocidade da mesa de 16 m/min, possvel observar regies (embora em pequeno nmero) na quais h a presena de cores esverdeadas e at amareladas, caracterstica de valores mais elevados de rugosidade, resultando em pequenas reas com uma qualidade no to boa quando comparada com a do restante da mesma superfcie. Apesar da aparente inconsistncia, o fato pode ser explicado por imperfeies na etapa de retificao, notadamente a utilizao de fluido de corte com uma vazo no contnua e no constante. Nesse sentido, a rugosidade mdia aritmtica da amostra poderia ser menor caso fosse utilizado um controle da aplicao do fluido de corte com maiores valores de presso e vazo. Dessa forma, haveria um maior desgaste no topo dos gros abrasivos, e, consequentemente, o material sofreria um menor riscamento (BIANCHI et al., 2003). 48 De forma semelhante anlise das tenses residuais, a Tabela 4.5 mostra os resultados dos testes estatsticos para o estudo da rugosidade. Tabela 4.5: Testes estatsticos da rugosidade. Teste Estatstico Valor-p Normalidade dos Resduos Kolmogorov-Smirnov com correo de Lilliefors 0 Shapiro-Wilk 0 Homogeneidade das varincias Levene 0 Como os resultados para o valor-p tendem a zero, e, portanto, so menores que 0,05, rejeitam-se as hipteses de normalidade dos resduos e de homogeneidade das varincias. Contudo, a partir de estudos realizados utilizando a tcnica de Monte Carlo, verifica-se que tais violaes no trazem consequncias graves para as concluses acerca do conjunto de dados sob avaliao. Assim, utiliza-se a estatstica paramtrica na avaliao dos dados (Tabela 4.6). Tabela 4.6: Teste paramtrico de anlise de varincias para a rugosidade Ra. Parmetro de Corte Valor-p Velocidade da pea 3,1117 x Profundidade de corte 0,1457 Quanto mais prximo de zero for o valor-p, maior a influncia do parmetro avaliado. Assim, a velocidade superficial da pea influencia a rugosidade da superfcie de forma mais significativa que a profundidade de corte. Tal entendimento pode comprovado pela anlise das Figuras 4.15 e 4.16. 49 Figura 4.15: Rugosidade em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte. A Figura 4.15 retrata a influncia da velocidade da pea e da profundidade de corte na qualidade superficial das amostras retificadas. Pela observao da Figura 4.15, possvel constatar que, na mdia, a influncia da velocidade da pea na rugosidade superficial maior que a influncia da profundidade de corte. Entretanto, em uma anlise mais detalhada, percebe-se que, ao se utilizar uma velocidade da pea mais baixa, uma variao na profundidade de corte responsvel por impactar a rugosidade de forma mais significativa do que quando se utiliza uma velocidade mais elevada. Pelo grfico, para uma velocidade fixa de 10 m/min, as curvas (vermelha e azul, com profundidades de corte de 0,05 mm e 0,1 mm, respectivamente) esto espaadas, o que significa que, para esta velocidade, uma alterao na profundidade de corte causa efeitos mais expressivos na rugosidade. Para vw = 16 m/min, contudo, as curvas esto muito prximas uma da outra, concluindo-se que, ao aumentar-se a velocidade da pea, o efeito de uma variao da profundidade de corte na rugosidade superficial cada vez menor. 50 Figura 4.16: Rugosidade em funo da velocidade da pea e da profundidade de corte separadamente. A Figura 4.16 evidencia de forma mais clara a maior influncia que a alterao da velocidade da pea possui na rugosidade da superfcie retificada, quando comparada ao impacto de uma variao na profundidade de corte. Nesse sentido, compreende-se que a curva da velocidade da pea mais inclinada enquanto que a curva da profundidade de corte possui uma inclinao bem menor. Assim, uma modificao na velocidade responsvel por uma variao proporcionalmente maior na rugosidade. Ao mesmo tempo, uma mudana na profundidade de corte causa uma alterao proporcionalmente menor na qualidade superficial. Por fim, importante reiterar que a alterao da profundidade de corte possuiu influncia mais significativa na rugosidade superficial para valores mais baixo de velocidade superficial da pea. 4.3 ANLISE DA MICRODUREZA Os resultados obtidos nos ensaios de microdureza Vickers (HV) esto apresentados na Tabela 4.7. 51 Tabela 4.7: Microdureza Vickers (HV) das amostras. Amostra Microdureza Vickers (HV) 1 2 3 4 5 Mdia 1 329,4 299,3 320,3 311,8 325,2 317 2 304,3 307,4 315,1 322,5 318,6 314 3 310,1 303,5 322,2 329,8 308,8 315 4 364,3 352,3 368,7 345,1 370,2 360 5 360,3 358,3 350,6 365,8 372,5 362 6 325,3 323,7 325,4 339,2 329,5 329 7 362,3 370,9 345,3 358,3 320,2 351 8 366,3 337,6 348,7 335,3 372,1 352 9 328,8 356,4 330,5 340,2 359,6 343 10 336,1 328,5 340,3 317,8 310,6 327 11 325,4 312,1 302,8 304,3 330,5 315 12 318,7 295,3 310,6 307,1 301,5 307 Graficamente, a microdureza Vickers das amostras se comporta conforme apresentado nas Figuras 4.17, 4.18, 4.19 e 4.20. Figura 4.17: Microdureza Vickers amostras 1, 2 e 3. 52 Figura 4.18: Microdureza Vickers amostras 4, 5 e 6. Analisando a Figura 4.17, possvel perceber que as amostras 1, 2 e 3 apresentam uma microdureza em torno de 315 HV, para uma velocidade da mesa de 16 m/min e uma profundidade de corte de 0,05 mm. J a Figura 4.18 (vw = 10 m/min, ap = 0,05 mm) demonstra que as amostras 4 e 5 possuem uma microdureza de cerca de 370 HV, enquanto que para a amostra 6 esse valor de 330 HV, aproximadamente. Assim, o aumento da velocidade da mesa foi responsvel por uma queda na microdureza das amostras. Figura 4.19: Microdureza Vickers amostras 7, 8 e 9. 53 Figura 4.20: Microdureza Vickers amostras 10, 11 e 12. A partir da observao da Figura 4.19, compreende-se que as amostras 7, 8 e 9 apresentam uma microdureza por volta de 350 HV, para uma velocidade de 16 m/min e profundidade de corte de 0,1 mm. De forma anloga, as amostras 10, 11 e 12 (Figura 4.20, vw = 10 m/min, ap = 0,1 mm) possuem uma microdureza de, aproximadamente, 325 HV, 315 HV e 305 HV, respectivamente, obtendo-se uma mdia de 315 HV. Comparando esses resultados com os das Figuras 4.17 e 4.18, nota-se que o aumento da profundidade de corte de 0,05 mm (Figuras 4.17 e 4.18) para 0,1 mm (Figura 4.19 e 4.20) foi responsvel por reduzir a microdureza das amostras, de 370 HV para 350 HV (Figuras 4.17 e 4.19, respectivamente), e de 330 HV para 315 HV ( Figuras 4.18 e 4.20, respectivamente). 54 5 CONCLUSES O presente trabalho, que teve como objetivo o estudo da influncia dos parmetros de corte nas tenses residuais geradas na retificao de ao AISI 4340, com a adicional anlise da qualidade de superfcie, permite as seguintes concluses: 1. O aumento da velocidade da pea foi responsvel por uma reduo na magnitude das tenses residuais trativas, devido ao menor aporte trmico gerado por um baixo tempo de contato entre o rebolo e a pea. Em alguns casos, o aumento da velocidade da pea resultou na mudana da natureza das tenses. 2. Durante o processo de retificao, a influncia da variao da velocidade da pea nas tenses residuais se mostrou significativamente maior que o impacto causado pela alterao da profundidade de corte. 3. A variao da velocidade da pea resultou em uma interferncia consideravelmente maior na qualidade de superfcie (rugosidade) quando comparada com a influncia da profundidade de corte. 4. Para velocidades menores, a variao da profundidade de corte causou um maior impacto na rugosidade, enquanto que para velocidades mais elevadas essa mudana no se mostrou significativa. 5. Mantendo os demais parmetros constantes, o aumento da profundidade de corte (de 0,05 mm para 0,1 mm) foi responsvel por reduzir a microdureza Vickers (HV) das amostras. 55 6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS A fim de dar continuidade ao trabalho, possvel fazer as seguintes sugestes que complementariam os resultados obtidos: 1. Empregar, durante a retificao, refrigerao com jorro contnuo e vazo abundante. 2. Utilizar, como parmetro de corte adicional, uma velocidade da pea intermediria, alm de outros parmetros de usinagem, como a velocidade de corte. 3. Realizar o estudo da influncia, nas tenses residuais, da utilizao de outros tipos de rebolo e de fluidos de corte. 4. Realizar o estudo dos parmetros de corte timos para a obteno de tenses residuais compressivas na superfcie retificada. 56 7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ABDALLA, A. J.; CARRER, I.R.; BARBOZA, M.J.R.;BAGGIO-SHEID, V. H.; NETO, Moura C.; REIS, D. A. P. Estudo de Fluncia em Aos 4340 com Diferentes Microestruturas e Tratamento de Carbonitretao a Plasma. 19 Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais CBECiMat, Campos do Jordo, SP, Brasil, 2010. ANAZAWA R. M.; ABDALLA A.J.; HASHIMOTO, T. M.; PEREIRA, M. S. Caracterizao Microestrutural e Mecnica dos Aos 4340 E 300M aps Tratamentos Trmicos Isotrmicos e Intercrticos. VI Conferncia Brasileira sobre Temas de Tratamento Trmico, So Jos dos Campos, So Paulo, Brasil, 2012. 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