ESTUDO DA USINABILIDADE DE FERRO FUNDIDO … · · 2011-10-17suas propiedades são ainda desconhecidas. Sabe-se, entretanto, que o ADI possui ... Utilizou-se o critério de Kienzle

Anais do 17O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVII ENCITA / 2011 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2011.

ESTUDO DA USINABILIDADE DE FERRO FUNDIDO AUSTEMPERADO

Ricardo Gabriel Pontes Lins Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Divisão de Engenharia Mecânica Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias CEP 12228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil Bolsista PIBIC-CNPq [email protected]

Jefferson Gomes de Oliveira Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Divisão de Engenharia de Mecânica Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias CEP 12228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil [email protected] Resumo. O ferro fundido austemperado é uma material recente com um grande leque de aplicações potenciais devido às suas

características fisícas. A relativa dificuldade em usiná-lo é o principal entrave para aumentar sua utilização. Através de ensaios

microgáficos, de testes de força e de análises de cavacos, buscou-se analisar a usinabilidade de dois padrões ASTM deste material.

Palavras chave: Ferro fundido austemperado, Usinagem, Micrografia..

1. Introdução

O ferro fundido austemperado (Austempered Ductil Iron – ADI) é uma material de surgimento relativamente recente e os primeiros relatos de sua fabricação datam da segunda metade do século passado. Assim sendo, muitas de suas propiedades são ainda desconhecidas. Sabe-se, entretanto, que o ADI possui características que o tornam uma excelente escolha para algumas situações. Entre elas: excelente relação carga-peso - cerca de 10% maior que a dos aços forjados, alta tenacidade e boa resistencia à fadiga. Desse modo, o ADI é um material com elevado potencial de uso. A grande dificuldade em relação a sua utilização consiste no fato de sua usinabilidade ser relativamente mais complicada do que a dos aços convencionais. Isso acarreta um maior custo de produção, tanto pela necessidade de trocar as ferramentas de usinagem mais frequentemente, quanto pela perda de produtividade, pois para trocar as ferramentas é preciso parar a produção. Portanto, é extremamente importante que se conheça os pontos ótimos de usinagem, para que sua utilização seja economicamente viável e com uma qualidade de usinagem compatível ao serviço necessário. Vários paramêtros têm influência no resultado final da usinagem. Neste projeto, dois deles foram escolhidos para análise: o avanço da ferramenta e a profundidade do corte. Os dois padõres ASTM testados foram o ADI G2 e o ADI G3. Outros parâmetros, que também têm influência, como a geometria da ferramenta e a velocidade de rotação da máquina, foram mantidos constantes.

2. Materiais e Métodos

Utilizando-se um torno 11kw E-280 ROMI CNC Turning Center, diversas amostras de ADI G2 e ADI G3 foram submetidas à usinagem contínua. A ferramenta de corte utilizada foi a WNMA 080408-KR 3215, da fabricante Sandvik. Como o torno não possui sistema de recolhimento, a cada operação, a esteira de recolhimento era desativada, e então, os cavacos eram recolhidos manualmente. Todas as operações foram feitas utilizando fluído de corte apropriado. Para cada um dos dois tipos de ADI, foram recolhidos os cavacos de usinagem em trinta e seis situações de usinagem diferentes.Os cavacos foram separados e tiveram sua forma analisada. A tabela 1 concatena as situações de coleta dos cavacos. Na tabela, Vc= velocidade de rotação do torno, ap= profundidade do corte e f=avanço da ferramenta de corte. Tabela 1. Condiçoes da coleta de cavacos dos dois tipos de ADI.

Vc (m/min) 80

ap (mm) 1 2 3 4 5 6 f (mm/rev) 0.05 0.10 0.18 0.26 0.34 0.40

A força de usinagem foi medida através de um sistema de captação de dados acoplado ao torno através de uma placa metálica. Utilizou-se o critério de Kienzle para fazer a análise das forças. Neste critério, a força de usinagem pode ser obtida através da Eq. 1 - resultado direto de manipulação algébrica da equação de Kienzle.

Anais do XVII ENCITA, ITA, 20 de Outubro de 2011

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(1) Na Equação (1), ƒsinχ é a espessura do cavaco, ap (sin χ)-1 é a largura do cavaco, Kc1,1 é uma constante específica do corte e mc é outra constante que,assim como o Kc1,1, depende da geometria da ferramenta e do material trabalhado. A tabela 2 mostra as condições de usinagem nas quais foram medidas a força de usinagem. Os valores medidos foram plotados num gráfico Log (Cutting force) x Log (Feed rate) para cada um dos ADI’s para análise. Tabela 2. Condições das medidas de força de usinagem.

Vc (m/min) 80

ap (mm) 1 2 3 4 5 6 f (mm/rev) 0.05 0.10 0.18 0.26 0.34 0.40

A análise micrográfica foi feita através do processo padrão de micrografia: embutiu-se uma amostra de cada tipo de ADI em resina plástica, lixou-se a superfície, e então atacou-se quimicamente a superfície lixada com Nital. As amostras foram visualizadas e fotografadas com um microscópio ótico. 3. Resultados e discussão 3.1. Micrografia das amostras

A figura 1 mostra as fotografias das micrografias efetuadas.

Figura 1. Micrografias do ADI G2(esquerda) e G3(direita). Como se pode observar pelas figuras há uma diferença bastante clara entre os dois padrões. A estrutura do G2 é bem mais grosseira que do G3. Isso se deve ao processo de fabricação do material, em que o G2 é submetido a uma temperatura maior no processo de austempera. Essa micrografia mais grosseira interfere na dureza do material. Estruturas mais finas, em geral, possuem uma dureza maior, assim é esperado que o o G3 seja mais duro que o G2. Não há estruturas martensíticas nas amostras, o que poderia difucultar mais ainda o processo de usinagem. Outro ponto observado é que a estrutura G2 possui bem mais áreas claras em sua composição. Essas áreas brancas são uma fase metálica chamada de austenita. A austenita é uma fase bastante dúctil, portanto é esperado que o G2 seja mais tenaz que o G3. A tabela 3 mostra os valores ASTM das principais propiedades dos dois ADI’s.

logFc = logKc1,1 + logap

sin χ

+ 1− mc( ) log f ⋅ sin χ( )


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Tabela 3. Propiedades dos ADI’s ASTM.[1]

Classe do ADI G2 G3

Dureza(HRC) 32-40.5 36.8-45

Tensão de Escoamento(Mpa) 750 850

Tensão de Ruptura(Mpa) 1050 1200

Elongamento(%) 7 4

Como se pode observar pelos valores ASTM, a análise micrográfica se confirmou. Assim, é esperado que haja diferença significativa nos padrões de usinagem. 3.2. Mapa de Cavacos

As figuras 2 e 3 mostram os mapas de cavacos dos ADI’s G2 e G3 respectivamente.

Figura 2. Mapa de cavacos do ADI G2.


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Figura 3. Mapa de cavacos do ADI G3. Analisando os mapas de cavacos, é possível fazer uma série de conclusões a respeito das condições de usinagem:

• Todos os cavacos apresentaram coloração cinza. Isto, como consequência direta da utilização de fluído de corte, significa que a temperatura na região do corte se encontra entre 550ºC e 650ºC;

• Observa-se que com o aumento do avanço da ferramenta(Feed rate) há uma tendência de aumento do tamanho dos cavacos;

• Observou-se que é possível usinar os ADI’s em todas as situações de teste. Assim, é possível fazer operações tanto de acabamento quanto de desbaste. Operações de desbaste são aquelas em que se utiliza profundidade de corte maiores, pois o objetivo principal é a retirada de material, sem uma preoucpação tão grande com a qualidade do acabamento. Operações de acabamento utilizam valores menores de profundidade do corte, pois o importante nessa fase é que haja uma qualidade no resultado final do material;

• Todos os cavacos formados são do tipo segmentado, formados por pequenas agulhas, que se soldaram durante o processo de usinagem devido às condições severas de temperatura e pressão no ponto de contato;

3.3. Testes de força As figuras 4 e 5 mostram os gráficos de Log (Cutting force) x Log (Feed rate) para cada um dos tipos de ADI. Nos gráficos, estão discriminados as profundidades dos cortes correspondentes.


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Figura 4: Gráfico de força de corte para ADI G2 .

Figura 5: Gráfico de força de corte para ADI G3. As tabelas 3 e 4 mostram os valores do ajuste linear da reta (R²), o valor do coeficiente angular(Slope) e o valor do intercepto da reta (Intercept). A partir desses valores, foram calculados as constantes da equação Kienzle’s.

Anais do XVII ENCITA, ITA, 20 de Outubro de 2011 ,

Tabela 3. Análise da regressão linear da força de corte do ADI G2.

Value Adj. R2 Kc1,1 (N/mm2) mc

ap = 2mm Intercept 3.46174 0.99722 1448 0.35688 Slope 0.64312




Tabela 4. Análise da regressão linear da força de corte do ADI G3.

Value Adj. R2 Kc1,1 (N/mm2) Mc





Pode-se observar nos gráficos que a força de corte varia de 400N até 3500N, a medida que a profundidade de corte aumenta de 2 para 5mm. Além disso, observa-se que as forças de corte são maiores no G3, o que ratifica as hipóteses feitas através da micrografia das amostras. Os valores elevados de R², mostram que o modelo de Kienzle é bastante apropriado para as situações de usinagem testadas. Também pode ser observado que o coeficiente angular de todas as retas é aproximadamente o mesmo. A análise das tabelas 4 e 5 nos mostra que o valor de Kc1,1 se reduz bastante quando se passa da profundidade de corte 2 para 5, mas que varia pouco nos demais valores. Esse comportamento pontual pode ser explicado pelas transformações de fase que ocorrem durante o processo de usinagem. Quando se está usinando metal, a amostra está sujeita a situações de temperatura e pressão bastante críticas. Essas condições ocasionam a transformação de uma camada externa da amostra de austenita para martensita. A martensita é uma fase meta-estável sensivelmente mais dura que a austenita, portanto mais difícil de se usinar. Como a transformação se dá na superfície, á medida que se aumenta a profunidade do corte, está se usinando mais austenita, já que as regiões mais profundas não sofreram essa transformação. Portanto, a contante diminui, já que ela representa a força por área usinada. 4. Conclusões Através dos ensaios realizados, conclui-se que é possível realizar a usinagem do ADI, seja da classe G2 ou G3 em diversas situações diferentes, sejam de acabamento ou de desbaste. A análise micrográfica mostra que é possível estimar o comportamento do material a partir de sua microestrutura, já que as conclusões feitas foram coerentes com aquelas obtidas experimentalmente. A análise dos cavacos nos fornece informações valiosas a respeito das condições de usinagem, e é um guia válido no momento de escolha da ferramenta que será escolhida. A análise de força mostra que a força por área usinada varia pouco após um certo ponto, logo é possivel fazer grandes desbastes com aumento relativamente pequeno. É sempre preciso ter em vista qual a finalidade à que a peça usinada irá usar, e, a partir das condições de projetos, escolher o paramêtros de usinagem mais indicados.

Anais do XVII ENCITA, ITA, 20 de Outubro de 2011 ,

5. Agradecimentos Ao amigo e motivador Davi Melo Montenegro pelos ensinamentos e conselhos, ao professor e orientador Jefferson de Oliveira Gomes pela oportunidade e confiança, à toda equipe do Centro de Competência e Manufatura- CCM pelo apoio e ajuda e ao CNPq por permitir o desenvolvimento deste projeto.

6. Referências

(1) ASTME (American Society of Tool and Manufacturing Engineers). Machining with Carbides and Oxides. McGraw-Hill Book Company, 1962.

(2) TRENT, E.M., WRIGHT, P.K. Metal Cutting. 4th ed. Butterworth Heinemann, 2000. (3) CALLISTER JR., W.D. Fundamentals of Materials Science and Engineering. 5th ed. John Wiley & Sons, Inc.

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