Estudo do Comportamento dos Aços ABNT D2 e ABNT O1 antes e após o Tratamento Térmico, na usinagem por eletroerosão por penetração – PARTE 1

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Daniel Alves Sodré  *1
Willy Ank de Moraes *2

Introdução

A influência do tratamento térmico sobre as propriedades mecânicas dos aços e de que forma isso interfere nos processos convencionais de usinagem tem sido estudado por diversos autores. Entretanto, outras propriedades físicas como a condutividade térmica e elétrica são grande importância em processos de usinagem não convencionais como a eletroerosão, o corte a laser ou a usinagem por plasma. A eletroerosão por penetração é um dos principais processos de usinagem utilizados pela indústria de ferramentaria, permitindo a confecção de geometrias complexas em aços com e sem tratamento térmico. Porém, as tabelas tecnológicas utilizadas na preparação deste processo não consideram o tratamento térmico ou a dureza das peças como uma variável. Desta forma, o objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento dos aços ABNT D2 e ABNT O1 com e sem tratamento térmico de têmpera e revenimento usinados por eletroerosão. Observou-se uma variação dimensional, de rugosidade e integridade superficial entre as amostras.

A conformação de chapas metálicas de diversas espessuras obtida pelas operações de corte, dobra e repuxo é feita por meio de punções e matrizes montados em estampos que associados a prensas, produzem esforços capazes de dar forma a diversos itens de consumo. Produtos estampados estão presentes em nosso dia-a-dia e vão desde uma simples arruela obtida pelo processo de corte, a cunhagem de moedas, ou o repuxo peças de geometria complexas como as usadas pela indústria automobilística em vários modelos de automóveis. A exigência por estampos de conformação cada vez mais resistentes e duradouros tem feito com que projetistas solicitem a utilização de materiais especiais em componentes que até então eram fabricados em aços com menor teor de carbono e poucos elementos de liga.

Entre os materiais amplamente utilizados pela indústria de ferramentaria para a fabricação de componentes de estampos estão os aços ABNT O1 e ABNT D2. Classificados como aços ferramenta destinados à conformação a frio, apresentam excelentes propriedades mecânicas como: alta tenacidade, boa resistência ao desgaste e a fratura, dureza elevada após o tratamento térmico, além de boa usinabilidade e grade estabilidade dimensional [1-2] – características fundamentais para o fim a que se destinam – o que garante que os componentes fabricados com estes materiais sejam capazes de resistir às tensões geradas durante a operação de estampagem.

Uma característica fundamental nos componentes de estampos para conformação é a integridade superficial da área de contato com a chapa a ser estampada. Pequenos riscos, deformações ou rugosidade fora dos padrões nestes componentes serão inevitavelmente transferidos para o produto estampado, prejudicando assim, sua qualidade final. Outro ponto a ser observado é a qualidade da rugosidade ou a presença de micro trincas, oriundas dos diversos processos de usinagem. Segundo Oliveira [3], as superfícies geradas pelos processos de fabricação não são perfeitas, gerando irregularidades que só podem ser observadas quando são ampliadas várias vezes em relação ao seu tamanho original. Estas irregularidades podem se propagar ao longo do punção/matriz ocasionando a diminuição da vida útil do componente ou até mesmo sua fratura.

Um processo capaz de garantir estas características é o processo de usinagem por descargas elétricas (Electrical Discharge Machining – EDM) ou Eletroerosão por Penetração. Considerado como um processo não convencional, a EDM é destinada a usinagem de geometrias complexas e de grande precisão dimensional garantindo excelente acabamento. Caracteriza-se por permitir a usinagem de materiais condutores (e alguns semicondutores) com e sem tratamento térmico [4-5].

A usinagem por eletroerosão ocorre em função da aproximação de dois eletrodos com polaridades diferentes submersos em um meio dielétrico até uma determinada distancia chamada GAP [6]. Quando estes eletrodos se aproximam, um processo de formação de faísca elétrica tem inicio transferindo para a peça a forma do eletrodo ferramenta. A Figura 1 representa o eletrodo ferramenta e a peça durante o processo de usinagem.

Figura 1- Representação da peça e do eletrodo ferramenta

Figura 1- Representação da peça e do eletrodo ferramenta

Dentre as várias teorias existentes, a termoelétrica é a mais aceita para explicar o que ocorre durante a remoção do material na EDM. Segundo Amorim [7], um ciclo de descarga elétrica se divide em 4 fases consecutivas, como mostra a Figura 2:

Figura 2- Fases de uma descarga elétrica durante o processo de eletroerosão.

Figura 2- Fases de uma descarga elétrica durante o processo de eletroerosão.

  1. Fase de ignição da faísca.
  2. Formação do canal de plasma.
  3. Fusão e evaporação de material nos eletrodos.
  4. Ejeção do material fundido.

A remoção de material por meio de eletricidade é bastante complexa, e ocorre em função do aumento de temperatura na região da descarga, causando a fusão e a evaporação do material. As temperaturas na área usinada podem variar entre 10.000° a 50.000°C na fase 3. Estas temperaturas podem provocar alterações na superfície usinada devido à formação de uma zona termicamente afetada gerando a chamada “camada branca” que é consequência da ressolidificação do material em função do resfriamento brusco feito pelo fluido dielétrico ao final da descarga [8].

Durante a usinagem por EDM, a garantia de parâmetros como precisão dimensional, rugosidade, integridade superficial, tolerância de forma e posição depende, entre outras coisas, do regime de trabalho adotado. Diversos autores estudaram de que forma o regime de trabalho adotado interfere nestas características. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi analisar as características superficiais dos aços ABNT O1 e ABNT D2 usinados por EDM, materiais comuns na indústria de ferramentaria para confecção de componentes para estampos de dobra e repuxo. Foram avaliadas a rugosidade final da peça, dimensional e a integridade superficial de corpos de prova com e sem tratamento térmico de têmpera, seguidos de revenimento.

MATERIAIS E MÉTODOS

Para realização dos experimentos, foram preparados oito corpos de prova (CPs) de aço ABNT O1 e oito de aço ABNT D2 nas medidas de 25 x 25 x 20mm. Quatro CPs de cada aço receberam tratamento térmico para alívio de tensões e em seguida de têmpera e revenimento. Os demais CPs foram mantidos na condição sem tratamento térmico. Como eletrodo ferramenta, foram preparados 16 eletrodos de cobre eletrolítico, um para cada CP, nas medidas de 9,52 x 9,52 x 28mm. A Figura 3 e 4 apresentam os eletrodos ferramentas e os corpos de prova utilizados neste trabalho.

Figura 3 - Representação das barras para retirada dos Corpos de Prova

Figura 3 – Representação das barras para retirada dos Corpos de Prova

Figura 4 - Amostras dos corpos de prova e dos eletrodos ferramenta: (a) aço ABNT D2 como recebido e com tratamento térmico; (b) Aço ABNT O1 com tratamento térmico e como recebido; (c) eletrodos ferramenta; (d) Aço ABNT D2 após a usinagem.

Figura 4 – Amostras dos corpos de prova e dos eletrodos ferramenta: (a)
aço ABNT D2 como recebido e com tratamento térmico; (b) Aço ABNT O1
com tratamento térmico e como recebido; (c) eletrodos ferramenta; (d)
Aço ABNT D2 após a usinagem.

Os experimentos foram efetuados em uma máquina de eletroerosão por penetração (EDM) marca Eletro – modelo ZNC 400 [9], ilustrada na Figura 5.a. Como fluído dielétrico, foi empregado um composto a base de hidrocarbonetos recomendado pelo fabricante. Os CPs foram previamente identificados e erodidos um a um, na sequência da identificação pelo tempo de 20 minutos.

Figura 5 - Equipamentos empregados neste trabalho: (a) Máquina de eletro-erosão por penetração [9]; (b) máquina de medição tridimensional [10]; (c) Rugosímetro Mitutoyo [11]; (d) Durômetro de rebote [12].

Figura 5 – Equipamentos empregados neste trabalho: (a) Máquina de eletro-erosão por penetração [9]; (b) máquina de
medição tridimensional [10]; (c) Rugosímetro Mitutoyo [11]; (d)
Durômetro de rebote [12].

Foram utilizados os mesmos parâmetros tanto para as peças sem tratamento térmico quanto para as tratadas termicamente, alguns dos quais estão ilustrados na Figura 6. Estes parâmetros foram:

  1. a) impulso Ton= 150μs;
  2. b) quantidade de corrente= 2Ts (7A);
  3. c) pausa Toff= 88%
  4. d) Tempo de erosão= 1segundo;
  5. e) Distância de afastamento= 0,5mm
Figura 6 - Dados da tabela tecnológica fornecida pelo fabricante [9].

Figura 6 – Dados da tabela tecnológica fornecida pelo fabricante [9].

A largura do canal usinado foi controla em uma máquina tridimensional marca Tesa Micro-hite [10], ilustrada na Figura 5.b. A rugosidade da superfície usinada, foi aferida por um rugosímetro Mitutoyo modelo SJ-201 [11], mostrado na Figura 5.c. Para o controle da dureza, foi utilizado um durômetro digital portátil modelo TH 160 [12], apresentado na Figura 5.d. Após a usinagem, para a verificação da integridade da superfície usinada e da presença da camada branca, todas as amostras foram submetidas a ensaio metalográfico. O ataque químico em ambos os materiais foi feito utilizando o reagente Vilella.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Após a usinagem, foram comparadas as características de largura do canal usinado, rugosidade superficial e integridade da superfície usinada nas peças que receberam tratamento térmico e nas que foram mantidas na condição como recebidas.

Em relação à largura do canal usinado, tanto as peças de aço ABNT D2 como as de aço ABNT O1 na condição sem tratamento térmico apresentaram-se em média 18μm maiores do que as que foram tratadas termicamente, como ilustrado na Figura 7. Mesmo uma diferença dimensional da ordem de 18μm pode afetar a qualidade dos ajustes dos moldes e matrizes e consequentemente a qualidade do produto final. Segundo Maziero [13], muitos problemas relativos a projetos só serão descobertos durante a fabricação, como, por exemplo, a obtenção de peças com as dimensões adequadas para a montagem e que mantenham a funcionalidade do produto.

Figura 7 - Variação dimensional entre as peças que foram usinadas com tratamento térmico e as sem tratamento térmico.

Figura 7 – Variação dimensional entre as peças que foram usinadas
com tratamento térmico e as sem tratamento térmico.

O ajuste comum punções e guias em estampos de conformação é H7g6 [14]. Considerando, por exemplo, o ajuste de um punção com 10mm de diâmetro a qualidade g6, segundo a NBR 6158 [15] é permitido um afastamento máximo de 14μm. O afastamento obtido neste estudo entre as peças que receberam tratamento térmico e as usinadas no estado como recebido, foi superior a esta especificação, o que inviabilizaria o uso dos componentes.

A rugosidade do canal usinado foi medida na forma de rugosidade máxima (Ry) e rugosidade média (Ra). Em relação à rugosidade máxima, foi verificada uma coerência entre os valores fornecidos pela tabela tecnológica do fabricante e os obtidos durante os ensaios em todos os Cps. Já em relação à rugosidade média, é possível constatar que, nas amostras tratadas termicamente, a rugosidade é ligeiramente menor que nas amostras sem tratamento térmico. A Figura 8 apresenta os resultados de rugosidade.

Figura 8 – Variação da rugosidade: (a) rugosidade máxima; (b) rugosidade média.

O acabamento superficial de uma peça está diretamente relacionada ao desempenho na sua aplicação. Entre estes desempenhos é possível citar o desgaste de componentes mecânicos, onde, superfícies com rugosidade mais pronunciadas estão sujeitas a desgastes mais intensos do que teriam no caso de um melhor acabamento [16].

Continue…

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*1 Tecnólogo Mecânico, Mestre em Engenharia Mecânica da UNISANTA, Professor no SENAI Manuel Garcia Filho e no Centro Universitário Anhanguera de Santo André, São Paulo, Brasil (danielsodre@uol.com.br).

*2 Doutorando, Mestre, Engenheiro e Técnico em Metalurgia e Materiais, Sócio-Diretor da Willy Ank Soluções Metal-Mecânicas, Professor Mestre da UNAERP-Guarujá e Professor Adjunto da Universidade Santa Cecília (UNISANTA), Santos, SP, Brasil (willyank@willyanksolucoes.com).

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