PROJETO DE PESQUISA MODALIDADE INICIAÇÃO CIENTÍFICA (BOLSA PIC/FACIT/FAPEMIG) - PDF
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Dalila do Amaral de Sousa
1 PROJETO DE PESQUISA MODALIDADE INICIAÇÃO CIENTÍFICA (BOLSA PIC/FACIT/FAPEMIG) MONTES CLAROS MARÇO/2014
2 1 COORDENAÇÃO DE PESQUISA PROGRAMA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA MODELAGEM MATEMÁTICA E COMPUTACIONAL DO COMPORTAMENTO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS NO PROCESSO DE PRODUÇÃO POR USI- NAGEM MECÂNICA ORIENTADORA: ADRIANA OLIVEIRA ALMEIDA MONTES CLAROS FEVEREIRO/2014
3 SUMÁRIO 2 1. Dados pessoais do(a) orientador(a) 2. Dados sobre o projeto de pesquisa modalidade iniciação científica 3.1 Título do projeto 3.2 Palavras-chave 3.3 Resumo do projeto 3.4 Introdução 3.5 Objetivos da pesquisa 3.6 Procedimento 3.7 Material a ser utilizado 3.8 Referências 3. Cronograma de atividades
4 3 1. DADOS PESSOAIS DO(A) ORIENTADOR(A): Nome do(a) orientador(a) responsável pelo projeto: Adriana Oliveira Almeida CPF: Data de nascimento: 22/04/1982 Instituição: Faculdade de Ciência e Tecnologia de Montes Claros Área de Atuação: Cálculo Integral e Diferencial, Estatística e Probabilidade e Processos Estocásticos. 2. DADOS SOBRE O PROJETO DE PESQUISA MODALIDADE INICIAÇÃO CIENTÍFICA 2.1 Título do projeto: Modelagem matemática e computacional do comportamento dos aços inoxidáveis austeníticos no processo de produção por usinagem mecânica. 2.2 Palavras-chave: 1. Modelagem Matemática, 2. Modelagem Computacional, 3. Aços Inoxidáveis. 2.3 Resumo do projeto (até 300 palavras) Este trabalho propõe o desenvolvimento de um modelo matemático e computacional do comportamento dos Aços Inoxidáveis Austeníticos em operações de usinagem mecânica por meio de investigações e testes em ensaios laboratoriais. Devido a uma série de fatores específicos estes aços apresentam baixos índices de usinabilidade, caracterizando especialmente pela formação da chamada aresta postiça de corte, este fenômeno prejudica o desempenho da máquina e afeta diretamente a produtividade e a qualidade das peças fabricadas. No sentido de amenizar os efeitos negativos desse processo e investigar métodos ideais de usinagem nesses aços, serão realizados experimentos nas operações de usinagem de desbaste e acabamento em amostras planas do material. Durante os ensaios dados relevantes serão estatisticamente tratados e coletados. De posse dos dados, será possível determinar modelos matemáticos capazes de representar o desenvolvimento do processo, assim, com uso de ferramentas da modelagem computacional poderemos propor a elaboração de um software de simulação capaz de determinar parâmetros ideais de trabalho nesta operação de usinagem. 2.4 Introdução Os Aços Inoxidáveis Austeníticos formam o maior grupo de aços inoxidáveis em uso, representando cerca de 65 a 70% do total produzido. Apresentam estrutura predominantemente austenítica, não sendo endurecíveis por tratamento térmico. Contém entre 6 e 26% de níquel, 16 e 30% de cromo e menos de 0,30% de carb4ono, com um teor total de elementos de liga de, pelo menos, 26%. Essa classe inclui, principalmente, ligas Fe-Cr-Ni, embora existam ligas onde parte da porcentagem do níquel foi substituída por manganês e nitrogênio. À temperatura ambiente, possuem um baixo limite de escoamento, e elevado limite de resistência e ductilidade. São, entre os aços inoxidáveis, os materiais de melhor soldabilidade e resistência à corrosão. Muitas são as utilizações desses aços, como na indústria química, ali-
5 4 mentícia, refino de petróleo e em diversos outros casos em que, boa resistência à corrosão, facilidade de limpeza e ótimas características de fabricação são necessárias (MODENESI, 2001). O processo de usinagem por fresamento frontal ou fresagem frontal, caracteriza-se pela remoção do cavaco através do movimento circular de uma ferramenta multicortante. Fresagem consiste numa operação de usinagem em que o metal é removido por uma ferramenta giratória, denominada fresa, de múltiplos gumes cortantes (MODENESI, 2001). Cada gume desta ferramenta remove uma pequena quantidade de metal em cada revolução do eixo onde a ferramenta é fixada. Conhecendo-se o processo de fresagem e as características intrínsecas desses aços, este projeto propõe submeter peças fabricadas em Aço Inoxidável Austenítico ao processo de fresagem frontal em operações de desbaste e acabamento. Mediante os experimentos, que respeitarão as normas e procedimentos técnicos e tecnológicos relacionados aos parâmetros de corte, serão investigados o comportamento da peça, da ferramenta e da região de corte em relação ao processo de formação do cavaco. Os dados obtidos nos experimentos serão tratados e tabulados em planilhas eletrônicas e discutidos em função de bibliografias existentes. USINABILIDADE DOS AÇOS INOXIDÁVEIS A usinabilidade dos aços inoxidáveis é influenciada por diversos fatores. Nos aços austeníticos, o aumento do teor de níquel, cromo ou molibdênio causa perda de produtividade na usinabilidade, já a presença de fósforo ou cobre o beneficia. Quanto aos elementos intersticiais, tanto a presença do carbono como a do nitrogênio, prejudicam a usinabilidade por aumentar a resistência do material e formar partículas duras e abrasivas. Normalmente, a melhor usinabilidade está associada a uma condição de baixa dureza (e resistência) e baixa ductilidade. Porém, os Aços Inoxidáveis Austeníticos no estado solubilizado (recozido) apresentam alta taxa de encruamento e alta ductilidade. A presença de inclusões influencia a usinabilidade de acordo com a sua composição. Os óxidos, principalmente a alumina, são duros e abrasivos, e, portanto, prejudicam a usinabilidade. Já o sulfeto de manganês é mole e deformável, sendo bastante benéfico para a usinabilidade. O aumento da relação entre teor de manganês e enxofre provoca um aumento da fração volumétrica de inclusões, amolecimento dos sulfetos e melhora na usinabilidade nos aços inoxidáveis. Para o conceito de usinabilidade, devemos levar em conta que este não se refere a uma única propriedade do material, que pode ser claramente definida e mensurada. A usinabilidade deve ser entendida como um sistema de propriedades dependentes de interações complexas e dinâmicas entre os materiais da peça e da ferramenta, do fluido e das condições de corte. Assim, ao se proporcionar uma melhoria da usinabilidade, a consequência será em algum dos fatores abaixo relacionados: Aumento da vida útil da ferramenta de corte; Maior taxa de remoção do material que está sendo usinado; Melhoria do acabamento superficial; Melhor controle na formação do cavaco; Diminuição das forças de corte. A Tabela 1 relaciona o tipo de aço inoxidável com suas características e usinabilidade. Podemos concluir que os aços inoxidáveis do tipo austenítico, devido à grande tendência a formação de aresta postiça de corte e à dificuldade de remoção do cavaco, apresentam as piores condições para serem usinados (GENNARI e MACHADO, 1999). Os ensaios de usinabilidade não são apenas importantes para comparar esta característica em diversos materiais. Eles possibilitam a definição de condições de usinagem que resulta-
6 rão em ganho de produtividade e redução de custos. A escolha do tipo de ensaio é baseada no tipo de aço, operação de usinagem e objetivo do estudo. Em muitos casos são realizados vários testes no mesmo material. Isto é necessário, pois a usinabilidade é uma propriedade do sistema e depende das condições de usinagem. Tabela 1. Classificação dos Aços Inoxidáveis 5 Fonte: (GENNARI E MACHADO. 1999) 2.5 Objetivos da pesquisa Este projeto de pesquisa busca investigar o comportamento dos Aços Inoxidáveis Austeníticos em um processo de usinagem por fresagem frontal, a fim de criar meios de simulação desse processo através da modelagem matemática e computacional. O trabalho será embasado em métodos quantitativos, os dados coletados nos experimentos serão tratados estatisticamente. Os parâmetros de corte reais para este processo de usinagem poderão ser comparados com os referenciais teóricos e uma discussão sobre parâmetros de corte ideais nesta operação de usinagem poderá ser levantada. Para que o objetivo supracitado seja alcançado, devem ser trabalhados os seguintes objetivos específicos: Objetivo Geral Elaborar um modelo matemático e computacional do comportamento dos aços inoxidáveis austeníticos no processo de produção por usinagem mecânica por meio de investigações e testes em ensaios laboratoriais Objetivos Específicos Nesta pesquisa pretende-se alcançar os seguintes objetivos específicos: Integralizar conhecimentos de diversas áreas da engenharia em um único projeto.
7 Estudar a formação da aresta postiça de corte no processo usinagem. Verificar as alterações das propriedades técnicas e tecnológicas nos aços experimentados. Analisar a região de corte e o processo de formação do cavaco. Verificar as diferentes rugosidades superficiais das amostras usinadas. Aplicar métodos estatísticos de coleta, organização, critica, análise e tomada de decisão. Propor um modelo computacional para determinação da vida útil da ferramenta de corte respeitando as condições de trabalho. 2.6 Procedimento Como será o comportamento das propriedades técnicas e tecnológicas dos Aços Inoxidáveis Austeníticos em um processo de fabricação de usinagem por fresagem frontal em operações de desbaste e acabamento, sabendo que esse tipo de aço apresenta variáveis particulares relacionadas à sua usinabilidade. Os dados coletados no processo de experimentação da pesquisa serão tabulados por meio de planilha eletrônica e tratados segundo as regras científicas definidas pela Estatística. Os resultados serão correlacionados e discutidos em função dos embasamentos teóricos endossados na etapa inicial. Em busca do desenvolvimento de um algoritmo capaz de determinar o tempo de vida da ferramenta de corte neste processo, um estudo mais aprofundado em modelagem computacional poderá ser realizado na fase final da pesquisa por meio do tratamento estatístico dos dados Material a ser utilizado Para a execução do projeto será necessário a utilização dos seguintes materiais: Item Material/recurso Disponibilidade do recurso 01 Barra de Aço Inoxidável Austenítico Recursos da própria pesquisadora. 02 Ferramenta de corte multicortante CIT. Material existente no Lab. De Mecânica da FA- 03 Fresadora Universal Material existente no Lab. De Mecânica da FA- CIT. 04 Rugosímetro Universal Material existente no Lab. De Mecânica da FA- CIT. Microcomputador com configurações 05 compatíveis para Material existente no Lab. De Eng. De Produção aplicação dos softwares Minitab, da FACIT. AutoCad, SoliWorks. 06 Instrumentos de medição Material existente no Lab. De Metrologia da
8 FACIT Referências AKASAWA, T.; SAKURAI, H.; NAKAMURA, M.; TANAKA, T.; TAKANO,T. Effects of Freecutting Additives on the Machinability of Autenitic Stainless Steel. Journal of Materials Processing Technology, v.143/144, p , DINIZ, A.E.; CUPINI, N.L. Estudo do Processo de Furação de Aços Inoxidáveis Austeníticos. Anais do 40º Congresso Anual ABM, p , DOLINSEK, S. Work-hardening in the Drilling of Austenitic Stainless Steels, Journal of Materials Processing Technology, v.133, n. 1-2, p , FONSECA, M.A.; BARBOSA, C.A.; ABRÃO, A.M. Infuence of the Chemical Composition on the Machinability of AISI 304 Austenitic Stainless Steel. International Conference on Behavior of Materials in Machining, UK, p , GENNARI J.R., W. MACHADO, A. R., Melhorias na Usinabilidade dos Aços inoxidáveis, Máquinas e Metais, p Setembro,1999. KORKUT, I; KASAP, ; CIFTCI, I; SEKER, U. Determination of optimum cutting parameters during machining of AISI 304 austenitic stainless steel. Materials & Design, v.25, p , KOVACH C.; MOSKOWITZ A. Effects of Manganese and Sulfur on the Machinability of Martensitic Stainless Stells. Transactions of AIME, v. 245, oct. P. 2157, MARCONI, Mariana de Andrade; LAKATOS, Eva Maria. Fundamento de metodologia cientifica, 6ª Ed. São Paulo: Editora Atlas, CRONOGRAMA DE ATIVIDADES MÊS ATIVIDADE OBSERVAÇÕES Março Levantamento Bibliográfico. Abril Pressupostos teóricos, análise de normas e estudo de procedimentos estatísticos. Maio Realização de experimentos práticos e coleta de dados no laboratório de Mecânica da FACIT. repetidos mais de uma vez. Experimentos poderão ser Junho Realização de experimentos práticos e coleta de dados no laboratório de Mecânica da FACIT. repetidos mais de uma vez. Experimentos poderão ser Julho Tratamento Estatístico utilizando softwares específi-
9 Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Janeiro Fevereiro Março cos para organização, critica, análise dos dados e tomada de decisão. Tratamento Estatístico utilizando softwares específicos para organização, critica, análise dos dados e tomada de decisão. Tratamento Matemático dos dados: Modelagem Matemática. Revisão crítica do projeto. Estruturação computacional do problema. Modelagem Computacional: Criação de software de simulação do processo. Modelagem Computacional: Criação de software de simulação do processo. Testes finais para apresentação dos resultados. Apresentação no Seminário de Iniciação Científica da FACIT. 8 Etapas anteriores poderão ser refeitas. Montes Claros, 20 de Fevereiro de 2014 Assinatura do(a) orientador(a)
Franco de Castro Bubani et al. INOX: Usinagem Efeito da temperatura e do teor de níquel nas propriedades mecânicas e a correlação com usinabilidade em ligas Fe-18Cr-Ni Effect of temperature and nickel