UNESP UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” CAMPUS DE GUARATINGUETÁ UBIRAJARA GARCIA ESTUDO DA APLICAÇÃO DE MÍNIMA QUANTIDADE DE FLUIDO NO FRESAMENTO DE ACABAMENTO DA LIGA Ti-6Al-4V Guaratinguetá 2015 UBIRAJARA GARCIA ESTUDO DA APLICAÇÃO DE MÍNIMA QUANTIDADE DE FLUIDO NO FRESAMENTO DE ACABAMENTO DA LIGA Ti-6Al-4V Tese apresentada a Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica na área de Materiais. Orientador: Prof. Dr. Marcos Valério Ribeiro Guaratinguetá 2015 G216e Garcia, Ubirajara Estudo da aplicação de mínima quantidade de fluido no fresamento de acabamento da liga Ti-6Al-4V / Ubirajara Garcia – Guaratinguetá, 2015 179 f : il. Bibliografia: f. 173-179 Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2015. Orientador: Prof. Dr. Marcos Valério Ribeiro 1. Fresagem (Trabalhos em metal) 2. Fluidos de corte 3. Ligas de titânio I. Título CDU 621.914(043) DADOS CURRICULARES UBIRAJARA GARCIA NASCIMENTO: 31.12.1958 - SÃO CAETANO DO SUL / SP FILIAÇÃO: Agostinho Garcia Maria Magdalena Garcia 1987/1991 Curso de Graduação Engenharia Mecânica – Universidade Brás Cubas. 1997/1998 Curso de Pós-Graduação Licenciatura em Mecânica – Faculdade de Tecnologia de São Paulo. 2003/2006 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Mestrado, na Universidade Estadual de Campinas. 2011/2015 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Doutorado, na Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. Dedico este trabalho ao saudoso Agostinho Garcia, pelo seu exemplo científico e pela honra de ser seu filho; A minha mãe Maria, minha filha Mariana e a Regina, minha querida esposa, pela beleza de vivermos juntos. AGRADECIMENTOS Este trabalho não poderia ser terminado sem a ajuda de diversas pessoas às quais presto minha homenagem: Ao prof. Dr. Marcos Valério Ribeiro, pela orientação, paciência e estímulo no decorrer do trabalho, aos professores do Departamento de Materiais e Tecnologia da Unesp de Guaratinguetá, especialmente àqueles que me ministraram aulas, ilustrando muitos dos conhecimentos necessários para a confecção desta tese, aos professores e amigos do Departamento de Mecânica do IFSP - Campus São Paulo, que colaboraram e me incentivaram no decorrer deste trabalho, às empresas Taegutec do Brasil, Blaser Swisslub e ITW Chemical pela cooperação técnica e fornecimento de materiais, aos meus familiares, à minha mãe, filha e esposa pelo seu companheirismo e carinho e aos amigos aqui não citados, pela torcida e pelo incentivo recebido nas diferentes fases pelas quais passamos, enquanto desenvolvíamos o trabalho. aos trabalhadores brasileiros que, através de seus impostos, sustentam a estrutura universitária neste país, meus especiais agradecimentos. É bom ser importante, mas o importante mesmo é ser bom. GARCIA, U. Estudo da aplicação de mínima quantidade de fluido no fresamento de acabamento da liga Ti-6Al-4V. 2015. 179 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2015. RESUMO Reduzir o uso de fluidos de corte em operações de usinagem é uma meta que tem sido buscada na indústria devido aos problemas ecológicos e de saúde humana, causados pelos fluidos de corte. No entanto, os fluidos de corte ainda promovem uma vida de ferramenta mais longa para muitas operações de usinagem. Este é o caso da operação de fresamento de acabamento da liga de titânio Ti6Al4V usando pastilhas de metal duro recobertas. Portanto, o objetivo deste trabalho é estudar condições de corte mais adequadas para o uso da técnica de mínima quantidade de fluido, ou seja, condições que tornem a vida da ferramenta na técnica MQF, mais próximas ou superiores àquelas obtidas com corte sem lubri-refrigeração e corte com jorro de fluido, sem prejudicar a rugosidade da peça. Para alcançar estes objetivos vários experimentos de fresamento de acabamento foram realizados, variando-se a velocidade de corte e taxa de avanço com aplicação da técnica MQF com o uso de três diferentes fluidos comparados com o corte sem lubri-refrigeração e corte com jorro de fluido. A principal conclusão deste estudo foi que a aplicação da técnica MQF no processo de fresamento de acabamento do Ti-6Al-4V aumenta a vida da ferramenta, melhorando a produtividade e rugosidade, quando mantidas as mesmas condições de corte originalmente propostas. PALAVRAS–CHAVE: Fresamento, Ti6Al4V, MQF, Desgaste, Rugosidade, Fluido de corte. GARCIA, U. Study of minimal quantity of fluid applying in Ti-6Al-4V alloy end milling. 2015. 179 f. Thesis (Doctorate in Mechanical Engineering) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2015. ABSTRACT To reduce cutting fluids use in machining operations is one goal that has been searched in industrial companies, due to ecological and human health problems caused by the cutting fluid. However, the cutting fluids still provide a longer tool life for many machining operations. This is the case of Ti6Al4V titanium alloy end milling operation using coated carbide inserts. Therefore, this work objective is to study cutting conditions more suitable for minimum quantity of fluid technique use, i.e., conditions which make tool life in MQF technique, closer or over to that obtained with dry cutting and cutting with fluid fload, without damaging the workpiece roughness. To reach these goals several end milling experiments were carried out, varying up cutting speed and feed rate with MQF technique application with three different fluids compared with dry cutting and cutting with fluid fload. The main study conclusion was that applying the MQF technique in Ti-6Al-4V end milling process increases tool life, improving productivity and roughness, when kept up the same cutting conditions proposed originally. KEYWORKS: Milling, Ti6Al4V, MQF, Wear, Roughness, Cutting fluid. LISTA DE FIGURAS Figura 1 Airbus A380 ou Boeing 787 ..................................................................................32 Figura 2 Turbina do Airbus A380 .......................................................................................32 Figura 3 Influência da temperatura na resistência mecânica dos materiais ..........................33 Figura 4 Influência dos elementos de liga no diagrama de equilíbrio das ligas de titânio e o diagrama de fase do Ti6Al4V em várias temperaturas .....................................34 Figura 5 Sistemas de escorregamento em metais de estrutura HC .......................................38 Figura 6 Comparação da percentagem de distribuição de calor conforme o material da ferramenta utilizada ..........................................................................40 Figura 7 (a) e (b) - Fresamento frontal: parâmetros, sentido e posição de corte.................44 Figura 8 Sentidos de corte ...................................................................................................44 Figura 9 Tenacidade em função da dureza à quente ...........................................................49 Figura 10 (a) - Exemplo da indicação das classes de metal duro (b) - Classe “S” designada pela norma ISO ..........................................................50 Figura 11 Disposição dos principais revestimentos dos metal duro .....................................52 Figura 12 Dureza das camadas de revestimento em função da temperatura ........................52 Figura 13 Resumo de deterioração das ferramentas de corte ...............................................54 Figura 14 Alguns tipos de desgaste e as variáveis de medição do desgaste em ferramentas de usinagem ......................................................................................56 Figura 15 Desgaste de cratera de uma ferramenta de corte ..................................................57 Figura 16 Desgaste de flanco de uma ferramenta de corte ...................................................58 Figura 17 Representação esquemática da formação de cavacos ..........................................59 Figura 18 Regiões geradoras de calor na usinagem .............................................................60 Figura 19 (a) - Distribuição da dissipação de energia de corte com a velocidade de corte (b) - Distribuição típica da temperatura na ferramenta de metal duro .................61 Figura 20 Formas de cavaco gerados na usinagem ..............................................................62 Figura 21 Controle da forma de cavacos gerados na usinagem ...........................................62 Figura 22 Definição de erro de forma, ondulações, rugosidade e trinca ................................63 Figura 23 Elementos da topografia .......................................................................................64 Figura 24 Classificação dos erros superficiais de rugosidade ..............................................66 Figura 25 Conceito de valor de “cut-off” e exclusão da ondulação ......................................66 Figura 26 Relação entre taxa de avanço e raio de ponta da ferramenta...................................68 Figura 27 Foto das amostras 01, 02 e 03 de Ti6Al4V para a usinagem ...............................82 Figura 28 Micrografia da estrutura da amostra do Ti6Al4V ..................................................82 Figura 29 Centro de fresamento ROMI D 800 ......................................................................83 Figura 30 Processo de fresamento frontal da liga de titânio Ti6Al4V ...................................83 Figura 31 Sistemas de lubri-refrigeração (a) - com aplicação de jorro de fluido (b) - com aplicação da técnica MQF.....................................................................84 Figura 32 Equipamento de aplicação da técnica MQF (a) - posicionamento na máquina (b) - componentes do sistema ...............................................................................85 Figura 33 Posicionamento de aplicação do fluido na técnica MQF (a) - direcionamento dos aplicadores de fluido (b) - alimentação do fluido nas pastilhas e zona de corte.....................................85 Figura 34 Representação funcional esquemática do sistema MQF ......................................86 Figura 35 Geometria da ferramenta conforme ISO 3685 (1993) .........................................88 Figura 36 (a) - Foto da pastilha de corte (b) - Foto do cabeçote fresador e pastilhas de corte (c) - Foto da ferramenta de encaixe rápido com cabeçote e pastilhas ..................89 Figura 37 Foto do rugosímetro portátil utilizado no experimento .......................................90 Figura 38 Montagem do microscópio para medição das pastilhas de corte com sistema Microcapture ...........................................................................................91 Figura 39 Microscópio eletrônico de varredura ....................................................................92 Figura 40 Diagrama de processo do sistema ........................................................................94 Figura 41 (a) - Programação comando FANUC Séries OI – MC (b) - Fresamento da amostra com um passe completado .....................................97 Figura 42 Esquema do movimento evolvente da ferramenta em cada passe .......................97 Figura 43 (a) - Morsa hidráulica, ferramenta de encaixe pneumático rápido (b) - Fresamento evolvente e sentido predominante concordante ........................98 Figura 44 (a) - Posição das pastilhas A, B e C (b) - Montagem das pastilhas no cabeçote fresador .............................................99 Figura 45 (a) e (b) - Medida do ajuste axial das pastilhas na bancada .................................99 Figura 46 (a) e (b) - Medida do ajuste axial das pastilhas na máquina ..............................100 Figura 47 (a) e (b) - Microscópio óptico USB e imagem da medida da pastilha ...............101 Figura 48 Foto da medição do desgaste de flanco das pastilhas com microscópio ótico ...102 Figura 49 Micrografia da medida do desgaste de flanco (a) – pastilha ‘A’ sem uso no ensaio J-110-0,2 (b) – pastilha ‘A’ após o oitavo passe no ensaio J-110-0,2 ................................103 Figura 50 Fotos da medida do desgaste de flanco (a) – pastilha ‘C’ sem uso no ensaio M3-110-0,2 (b) – pastilha ‘C’ após o décimo segundo passe no ensaio M3-110-0,2 ............103 Figura 51 (a) - Pastilhas sem uso para montagem (b) - Pastilhas usadas e identificadas pela posição no ensaio .............................104 Figura 52 Medição de rugosidade nos pontos 1, 2 e 3 da amostra usinada ........................105 Figura 53 Esquema representativo para o cálculo de comprimento de corte (Lc) ..............109 Figura 54 Comprimento de corte (Lc) com variação das condições de usinagem e velocidade de corte ...........................................................................................116 Figura 55 Evolução do desgaste de flanco (VB) para o corte sem lubrificação (S) ............118 Figura 56 Evolução do desgaste de flanco (VB) para o corte com jorro de fluido (J) ........120 Figura 57 Evolução do desgaste de flanco (VB) para o corte com MQF (M) ....................121 Figura 58 Volume de material removido (V) e taxa de remoção de material (Q) ...............122 Figura 59 Rugosidade média (Ra) e rugosidade média máxima (Rz) para as condições de usinagem aplicadas .........................................................................................124 Figura 60 (a) - Evolução da rugosidade média (Ra) para o corte sem lubri-refrigeração (b) - Evolução da rugosidade média máxima (Rz) para o corte sem lubri-refrigeração ..........................................................................................126 Figura 61 (a) - Evolução da rugosidade média (Ra) para o corte com jorro de fluido (b) - Evolução da rugosidade média máxima (Rz) para o corte com jorro de fluido ......................................................................................................127 Figura 62 (a) - Evolução da rugosidade média (Ra) para o corte com a técnica MQF (b) - Evolução da rugosidade média máxima (Rz) para o corte com a técnica MQF .....................................................................................................128 Figura 63 Comparação do comprimento de corte (Lc) com MQF ......................................130 Figura 64 Comparação da taxa de variação da vida da ferramenta (TVF) com MQF ........131 Figura 65 Evolução do desgaste de flanco (VB) para o corte com MQF ............................133 Figura 66 Comparação de volume de material removido (V) e taxa de remoção de material (Q) com MQF ......................................................................................134 Figura 67 Comparação da taxa de variação de volume de material removido (TV) com MQF ...........................................................................................................135 Figura 68 Comparação da taxa de variação de remoção de material (TQ) com MQF ........136 Figura 69 Comparação da rugosidade média (Ra) e rugosidade média máxima (Rz) com MQF ............................................................................................................137 Figura 70 Taxa de variação de rugosidade média (TRa) e rugosidade média máxima (TRz) com MQF no avanço de 0,2 para 0,3 mm/volta .......................................138 Figura 71 (a) - Evolução da rugosidade média (Ra) para MQF com avanço 0,3 mm/volta (b) - Evolução da rugosidade média máxima (Rz) para MQF com avanço 0,3 mm/volta .......................................................................................................139 Figura 72 Cavacos obtidos para condição sem lubri-refrigeração .......................................140 Figura 73 Cavacos obtidos para condição com jorro de fluido de corte .............................140 Figura 74 Cavacos obtidos para condição com MQF e avanço de 0,2 mm/volta ...............141 Figura 75 Cavacos obtidos para condição com MQF e avanço de 0,3 mm/volta ...............141 Figura 76 Micrografia da pastilha de corte sem uso e detalhe da aresta de corte ................142 Figura 77 Micrografias do desgaste com corte sem lubri-refrigeração (S) .........................142 Figura 78 Micrografias do desgaste com corte com jorro de fluido (J) ..............................143 Figura 79 Micrografias do desgaste com a técnica MQF (M) e avanço 0,2 mm/volta .......144 Figura 80 Micrografias do desgaste com a técnica MQF (M´) e avanço 0,3 mm/volta ......145 Figura 81 Micrografia em MEV/EDS com condição de corte sem lubri-refrigeração ........148 Figura 82 Micrografia em MEV/EDS com condição de corte com jorro de fluido e pastilha mais externa ........................................................................................150 Figura 83 Micrografia em MEV/EDS com condição de corte com jorro de fluido e pastilha mais interna .........................................................................................151 Figura 84 Micrografia em MEV/EDS com o uso de MQF com fluido vegetal com cloro e avanço de 0,2 mm/volta ..........................................................................152 Figura 85 Micrografia em MEV/EDS com uso de MQF com fluido com éster sintético e avanço de 0,2 mm/volta ....................................................................................154 Figura 86 Micrografia em MEV/EDS com uso de MQF com fluido vegetal sem cloro e avanço de 0,2 mm/volta ..........................................................................156 Figura 87 Micrografia em MEV/EDS com o uso de MQF com fluido vegetal com cloro e avanço de 0,3 mm/volta ..........................................................................157 Figura 88 Micrografia em MEV/EDS com uso de MQF com fluido com éster sintético e avanço de 0,3 mm/volta ....................................................................................159 Figura 89 Micrografia em MEV/EDS com o uso de MQF com fluido vegetal sem cloro e avanço de 0,3 mm/volta ...................................................................160 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Composição química da liga Ti6Al4V utilizada nos ensaios ................................81 Tabela 2 Parâmetros de utilização e regulagem do equipamento na técnica MQF ...............86 Tabela 3 Características dos lubrificantes utilizados ...........................................................87 Tabela 4 Nível das variáveis de controle .............................................................................94 Tabela 5 Planilha de identificação dos ensaios realizados ...................................................96 Tabela 6 Medidas de desgaste de flanco das pastilhas e rugosidade das amostras com desvios padrão .............................................................................................107 Tabela 7 Condições de usinagem e identificação das amostras utilizadas nos ensaios .......114 Tabela 8 Medidas do número de passes (P) e do tempo de vida (tc) das ferramentas nos ensaios ..........................................................................................................115 Tabela 9 Medidas dos maiores desvios padrão (σVB), (σRa), (σRz) para as médias (VB), (Ra) e (Rz) nos ensaios ..............................................................................115 Tabela 10 Relação entre a vida das ferramentas para aplicações com MQF ........................117 Tabela 11 Relação entre volume de material removido (V) e taxa de remoção de material (Q) ....................................................................................................122 Tabela 12 Relação entre as rugosidades média (Ra) e média máxima (Rz) para os tipos de MQF estudados .................................................................................124 Tabela 13 Planilha das condições de usinagem aplicadas em cada ensaio com MQF ..........128 Tabela 14 Medidas dos maiores desvios padrão (σVB), (σRa), (σRz) com MQF para avanço 0,2 e 0,3 mm/volta ...........................................................................129 Tabela 15 Relação de vida da ferramenta com MQF para o avanço de 0,3 mm/volta ........131 Tabela 16 Relação de volume de material removido com MQF para o avanço de 0,3 mm/volta .......................................................................................................135 LISTA DE QUADROS Quadro 1 Propriedades mecânicas das ligas de titânio ..........................................................36 Quadro 2 Classificação de algumas ligas de titânio .............................................................37 Quadro 3 Composição química da liga Ti6Al4V .................................................................39 Quadro 4 Comparação entre os processos CVD e PVD ......................................................51 Quadro 5 Principais aditivos e suas funções utilizados em fluidos de corte no setor de usinagem de metais.................................................................................75 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação brasileira de norma técnica APC Aresta postiça de corte ASTM American society for testing and materials (Sociedade americana para testes e materiais) CCC Cúbico de corpo centrado CNC Controle numérico computadorizado CIM Fabricação integrada por computador Cut-off Comprimento ou módulo de medida CCC Cúbico de corpo centrado CVD Deposição química de vapor DIN Deutsches institut für normung EP Extrema pressão FISPQ Fichas de informações de segurança do produto HC Hexagonal compacto HRc Dureza Rockwell C ISO International organization for standardization (Organização internacional de padronização) IV Índice de viscosidade J Jorro de fluido vegetal miscível em agua a 8% M1 MQF c/ fluido vegetal c/ cloro e f = 0,2 M2 MQF c/ éster sintético e f = 0,2 M3 MQF c/ fluido vegetal s/ cloro e f = 0,2 M1' MQF c/ fluido vegetal c/ cloro e f = 0,3 M2' MQF c/ éster sintético e f = 0,3 M3' MQF c/ fluido vegetal s/ cloro e f = 0,3 MC Carbeto metálico MQF Mínima quantidade de fluído NBR Norma brasileira registrada P Número de passes PVD Deposição física de vapor RMS Root mean square (média quadrática) S Sem lubri-refrigeração TIG Tungstênio com gás inerte TiAlN Nitreto de titânio alumínio TiC Carbeto de titânio TIN Nitreto de titânio UNS Unified numbering system LISTA DE SÍMBOLOS αε ângulo de engajamento δRa desvio padrão rugosidade média aritmética δRz desvio padrão rugosidade média máxima λc cut-off ae penetração de trabalho An altura da amostra ap profundidade de corte b largura de usinagem Cn largura da amostra D diâmetro da fresa VBx desgaste de flanco efetivo f taxa de avanço Fc força de corte fz taxa de avanço por dente KF distância da aresta a borda da cratera KB largura da cratera KT profundidade de cratera l comprimento da amostragem Lc comprimento de corte Lcp comprimento de corte de cada passe usinado Lcf comprimento do arco a cada giro da fresa ln comprimento de avaliação Ln comprimento da amostra N número de passadas da fresa n número de rotações por minuto P número de passes usinados até VBmax. das pastilhas Q taxa de remoção de material Ra rugosidade média aritmética Rcalc. rugosidade calculada Rq rugosidade média quadrática Ry rugosidade máxima Rz rugosidade média máxima rε raio da ferramenta S rotação da ferramenta tc tempo de corte TVF taxa de vida da ferramenta V volume de remoção de material VB desgaste do flanco médio VBmax. desgaste de flanco máximo Vc velocidade de corte Vm velocidade da mesa da fresadora Vpl volume usinado em cada passe usinado VF vida da ferramenta X perda do material de ponta das pastilhas Y desgaste de flanco SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................23 1.1 OBJETIVOS.............................................................................................................25 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..............................................................................27 2.1 USINAGEM DE SUPERLIGAS .............................................................................27 2.2 DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÕES DE SUPERLIGAS A BASE DE TITÂNIO ............................................................................................................29 2.2.1 O titânio e suas ligas ................................................................................................31 2.2.2 Características da liga Ti6Al4V .............................................................................37 2.2.3 Mecanismos de deformação plástica do Ti6Al4V .................................................38 2.2.4 Composição química e micro estrutural do Ti6Al4V ..........................................39 2.2.5 Usinagem da liga Ti6Al4V ......................................................................................40 2.3 FRESAMENTO .......................................................................................................41 2.3.1 Fresamento frontal e grandezas do processo .......................................................42 2.3.2 Sentidos de corte do fresamento ...........................................................................44 2.4 FERRAMENTAS DE CORTE ................................................................................45 2.4.1 Metal duro ..............................................................................................................47 2.4.2 Revestimentos de pastilhas de corte .......................................................................50 2.4.3 Tipos de deterioração e seus mecanismos de falhas ..............................................53 2.4.4 Vida da ferramenta ................................................................................................55 2.4.4.1 Desgaste de cratera (KT)...........................................................................................57 2.4.4.2 Desgaste de flanco ou frontal (VB)...........................................................................57 2.5 FORMAÇÃO DE CAVACOS .................................................................................58 2.5.1 Controle e forma do cavaco no processo ...............................................................61 2.6 ACABAMENTO E TOPOGRAFIA SUPERFICIAL ..............................................63 2.7 SISTEMA DE LUBRI-REFRIGERAÇÃO .............................................................69 2.7.1 Fluidos de usinagem ...............................................................................................71 2.7.1.1 Classificação e composição dos fluidos de usinagem ..............................................71 2.7.1.2 Aditivos dos fluidos de usinagem e suas funções ......................................................73 2.7.2 Técnica de mínima quantidade de fluido (MQF) ..................................................75 2.8 ESTADO DO CONHECIMENTO ...........................................................................76 3 MATERIAL E MÉTODOS ...................................................................................81 3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................81 3.2 MATERIAL..............................................................................................................81 3.2.1 Amostras ..................................................................................................................81 3.3 MÁQUINA ...............................................................................................................83 3.3.1 Sistemas de lubri-refrigeração ...............................................................................84 3.3.1.1 Fluidos de corte utilizados ........................................................................................86 3.4 FERRAMENTA DE CORTE ...................................................................................87 3.5 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO ..........................................................................89 3.5.1 Rugosímetro portátil ..............................................................................................89 3.5.2 Microscópio óptico portátil ....................................................................................90 3.5.3 Microscópio eletrônico de varredura ....................................................................91 3.5.4 Equipamentos adicionais .......................................................................................92 3.6 METODOLOGIA DOS ENSAIOS ..........................................................................93 3.6.1 Dimensionamento dos ensaios ................................................................................93 3.6.2 Ensaios de usinagem ..............................................................................................96 3.6.3 Montagem e ajuste das pastilhas de corte .............................................................99 3.6.4 Procedimentos durante a execução dos ensaios ..................................................100 3.6.5 Medição do desgaste de flanco das pastilhas .......................................................101 3.6.5.1 Ajuste da magnitude da imagem para cada medição ...............................................101 3.6.5.2 Posicionamento da ferramenta na bancada de medição ...........................................101 3.6.5.3 Medição das pastilhas de corte durante os ensaios ..................................................102 3.6.5.4 Critério de troca e identificação das pastilhas .........................................................104 3.6.6 Medição da rugosidade .........................................................................................105 3.6.7 Planilhas de controle das medidas realizadas em cada experimento ................106 3.6.8 Cálculos de parâmetros de corte utilizados nos experimentos ..........................107 3.6.8.1 Penetração de trabalho (ae) ......................................................................................108 3.6.8.2 Desgaste médio das pastilhas (VB) e desvio padrão (σVB) ......................................108 3.6.8.3 Comprimento de corte (Lc) e desvio padrão (σLc) ....................................................108 3.6.8.4 Tempo de corte (tc) ..................................................................................................110 3.6.8.5 Volume de material removido (V) e desvio padrão (σV) .........................................110 3.6.8.6 Taxa de remoção de material (Q) ............................................................................111 22 3.6.8.7 Rugosidades (Ra), (Rz) e desvios padrão (σRa) e (σRz) .............................................112 3.6.9 Preparação das amostras nos ensaios no MEV/EDS ..........................................112 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ..........................................................................113 4.1 EXPERIMENTOS COM VARIAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE USINAGEM E VELOCIDADES DE CORTE ......................................................114 4.1.1 Análise do desgaste e vida da ferramenta (VF) ...................................................114 4.1.1.1 Evolução do desgaste de flanco nos ensaios realizados .........................................117 4.1.2 Análise do volume de material removido (V) e taxa de remoção de material (Q) ...........................................................................................................121 4.1.3 Análise da rugosidade média (Ra) e rugosidade média máxima (Rz) ..............123 4.1.3.1 Evolução da rugosidade média (Ra) e rugosidade média máxima (Rz) ...................125 4.2 COMPARAÇÃO ENTRE ENSAIOS COM VARIAÇÃO DO AVANÇO (0,2 e 0,3 mm/volta) COM UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA MQF..........................128 4.2.1 Comparação da vida da ferramenta (VF) para avanço 0,2 e 0,3 mm/volta .................................................................................................128 4.2.1.1 Evolução do desgaste de flanco com MQF para avanço 0,3 mm/volta ...................132 4.2.2 Comparação do volume de material removido (V) e taxa de remoção de material (Q) com MQF para avanço 0,2 e 0,3 mm/volta ..................................133 4.2.3 Comparação entre as rugosidades para MQF com avanço 0,2 e 0.3 mm/volta .........................................................................................................137 4.2.3.1 Evolução da rugosidade média (Ra) e rugosidade média máxima (Rz) com MQF para avanço 0,3 mm/volta .....................................................................138 4.3 ANÁLISE DOS TIPOS DE CAVACO FORMADOS NOS ENSAIOS ...............139 4.4 MODOS DE FALHA DAS FERRAMENTAS ......................................................142 4.5 MECANISMOS DE DESGASTE DAS FERRAMENTAS ...................................146 4.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................161 5 CONCLUSÕES.....................................................................................................171 6 SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS TRABALHOS............................................172 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............................................................173 23 1 INTRODUÇÃO Até recentemente, a usinagem de ligas resistentes a altas temperaturas, também chamadas de superligas significavam reduzidas taxas de remoção de material e grande desgaste das ferramentas de corte. A utilização de metais duros de granulações superfinas, de cerâmicas de corte avançadas e de modernos materiais de corte ainda é reticente, embora existam expectativas de ganhos na forma de redução significativa de tempos de usinagem e aumento da eficiência econômica. Devido à dificuldade no corte das superligas a demanda por novas técnicas de usinagem está crescendo na ordem em que se busca alta produtividade e diminuição no custo de usinagem. As máquinas CNC (Comando Numérico Computadorizado) auxiliam a redução de tempos produtivos e improdutivos com o posicionamento e retirada da ferramenta de corte, contudo sua utilização só se torna economicamente viável quando for garantido o emprego mais eficiente de técnicas de lubri-refrigeração e novas ferramentas de corte durante o processo de usinagem, onde é necessário extrair das mesmas o máximo rendimento possível para garantir o retorno dos investimentos efetuados. A eficiência do processo de usinagem depende da utilização de dados de corte otimizados, atualizados e adequados às condições reais de trabalho. Recentemente a utilização de fluidos de corte nas operações de usinagem vem sendo reduzidas devido ao seu alto custo operacional, problemas ambientais e de saúde humana que eles causam. Portanto, muito tem sido feito para minimizar a diferença entre os processos que utilizam fluido de corte em abundância por jorro de fluido e a técnica chamada de mínima quantidade de fluido (MQF). O MQF é o procedimento de se pulverizar uma pequena quantidade de fluido em um fluxo de ar direcionado na zona de corte da peça consumindo uma quantidade muito pequena de fluido. A liga de titânio Ti6Al4V é largamente utilizada na indústria aeronáutica, aeroespacial e representa hoje grande parcela da produção mundial do titânio além da utilização em aplicações marítimas, médicas, odontológicas e comerciais devido ao seu baixo peso específico, alta resistência específica, inclusive em altas temperaturas de trabalho e excelente resistência à corrosão. 24 No entanto é um material com baixa usinabilidade devido a sua baixa condutividade térmica que eleva a temperatura de corte e o desgaste da ferramenta que geralmente leva a altos custos de produção e a uma qualidade superficial deficiente na usinagem. Por isso, a utilização do fluido de corte em abundância ou jorro de fluido tem sido até o momento, a estratégia mais comum para o controle da temperatura de corte da usinagem do Ti6Al4V. Para viabilizar a utilização do MQF em processos de usinagem, novas pastilhas de corte e revestimentos vêm sendo desenvolvidas. A técnica MQF é adequada para alguns processos de usinagem em condições específicas de corte, mas não é correta para outros processos, por não atingir níveis aceitáveis de vida de ferramenta, qualidade superficial e produtividade em relação a outros sistemas de lubri- refrigeração. A aplicação da técnica MQF tem vantagens em relação ao jorro de fluido, pois de modo geral reduz problemas: - ecológicos causados pelo descarte de fluidos, quando saturados no meio ambiente. - de saúde humana, causados pelo contato tóxico de fluidos com a pele, vias respiratórias e olhos do operador. - de altos custos gastos para o tratamento e reaproveitamento de fluidos saturados. - de altos custos gastos na lavagem e reaproveitamento de cavacos, devido à sua contaminação química causada pelo fluido com ésteres sintéticos. A utilização da técnica MQF, quando inviável a aplicação do corte sem lubrificação, traz grande contribuição em termos sustentáveis, haja vista o imenso volume de titânio Ti6Al4V fresado nas indústrias aeroespacial e aeronáutica, entre outras. Este trabalho busca estabelecer condições de corte, como: velocidade de corte, taxa de avanço, profundidade de corte, condições de usinagem e de contorno definidas que tornem a vida da ferramenta, produtividade e o acabamento superficial no fresamento de acabamento do Ti6Al4V, adequadas para o uso do MQF em condições mais próximas ou superiores àquelas obtidas com a utilização do jorro de fluido vegetal miscível em agua a 8% e ao corte sem lubri- refrigeração. Estabelecer o estudo dos principais mecanismos de desgaste através da análise das micrografias das ferramentas em final de vida para cada condição de corte empregada. Os tipos de fluidos de corte utilizados na aplicação do MQF também serão avaliados quanto a sua importância no rendimento do processo e seus efeitos físicos e químicos que influenciam o desgaste da ferramenta. 25 Estas condições de corte em sendo atingidas terão grande importância produtiva, pois viabilizarão a aplicação do MQF neste processo, melhorando a qualidade superficial, produtividade, eficiência econômica e diminuindo o impacto ambiental em grande parte da produção mundial do titânio, que utiliza o processamento por fresamento da liga Ti6Al4V como seu principal meio produtivo. 1.1 OBJETIVOS Os objetivos deste trabalho foram: - Reduzir o uso de fluidos de corte, o custo operacional e ambiental na usinagem por fresamento de acabamento da liga de titânio Ti6Al4V. - Estudar condições de corte mais adequadas para o uso da técnica de mínima quantidade de fluido - MQF na operação de usinagem por fresamento de acabamento da liga de titânio Ti6Al4V. - Estudar condições que tornem a vida da ferramenta na técnica MQF, mais próximas ou superiores àquelas obtidas com corte sem lubri-refrigeração e corte com jorro de fluido na operação de usinagem por fresamento de acabamento da liga de titânio Ti6Al4V, sem prejudicar o acabamento da peça e a produtividade do processo. - Aplicar a técnica MQF com o uso de três diferentes fluidos de corte no fresamento de acabamento do Ti6Al4V que obtenham resultados de vida da ferramenta superiores aos maiores resultados de vida obtidos no corte sem lubri-refrigeração e no corte com jorro de fluido. - Estudo da relação quantitativa entre: comprimento de corte (Lc), vida da ferramenta (VF), volume de material removido (V), taxa de remoção de material (Q), taxa de variação da vida da ferramenta (TVF), taxa de variação do volume de material removido (TV), taxa de variação de remoção de material (TQ), rugosidade média (Ra) e rugosidade média máxima (Rz) em relação aos parâmetros e condições de usinagem estudadas. - Avaliação da evolução dos modos de falha das ferramentas e formação de cavacos em relação aos parâmetros e condições de usinagem aplicadas. - Estabelecer o estudo dos principais mecanismos de desgaste através da análise das micrografias das ferramentas em final de vida para cada condição de corte empregada. Para tanto, em um primeiro levantamento bibliográfico, a fim de se verificar o estágio atual do conhecimento sobre o tema proposto, percebeu-se que o estudo da aplicação da técnica MQF, melhorias da vida da ferramenta, da produtividade e acabamento superficial no fresamento frontal de acabamento do Ti6Al4V na produção de peças, são objeto de grandes 26 investimentos de pesquisas. Porém, não houve até o momento registro de artigos, que trataram da análise da vida de ferramentas de corte, produtividade e acabamento superficial na usinagem por fresamento frontal no acabamento do Ti6Al4V com utilização da técnica MQF em condições industriais e nem foram investigados, especificamente, as influências e efeitos da variação de condições de usinagem adequadas aos melhores parâmetros de velocidade de corte, avanço e profundidade para uma maior condição produtiva e de qualidade superficial, mesmo sendo sugerida a importância destes fatores no controle produtivo, o que inspirou a necessidade do estudo proposto neste trabalho. 27 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A usinabilidade pode ser definida como o grau de dificuldade de usinagem de um determinado material. Segundo Weingaertner et al., (1994) a usinabilidade de metais é, normalmente, analisada com relação a quatro critérios: qualidade superficial, formação de cavacos, vida da ferramenta e forças de corte. Nesse aspecto, a usinabilidade exerce forte influência sobre a produtividade e o custo final de produção e serve como parâmetro para reforçar a necessidade da preocupação não só de materiais com propriedades mecânicas, físicas e químicas superiores, mas também com o comportamento destes materiais quando submetidos a algum tipo de processo de fabricação. A ideia é que eles sejam passíveis de sofrer operações de processamento pelas técnicas existentes, tanto do ponto de vista prático quanto econômico. Na grande maioria das operações de usinagem, a utilização de fluidos de corte, aumentam a vida da ferramenta e assim tornam o processo mais econômico. Suas principais funções são reduzir a temperatura da ferramenta e da peça e diminuir a geração de calor e atrito (FERRARESI, 1978). É claro que quando as funções de lubri-refrigeração não são devidamente aplicadas nas operações de usinagem, isto pode significar maior atrito entre a ferramenta e peça e entre o cavaco e a ferramenta e, portanto temperaturas muito mais altas. A ferramenta é submetida a uma maior carga térmica, que pode resultar em níveis mais altos de mecanismos de desgaste como: abrasão, difusão, adesão, oxidação, entre outros e, portanto uma redução de sua vida (DINIZ et al., 2002). A peça ao receber uma maior carga de calor expande, dificultando a obtenção de tolerâncias apertadas e, em alguns casos, causa danos metalúrgicos na sua camada superficial (SUNA & GUO, 2008; RIBEIRO & GALDINO, 2011). 2.1 USINAGEM DE SUPERLIGAS Segundo Jeelani e Ramakrishnan, (1985) na usinagem de metais o prejuízo produzido na região superficial é muito diferente para cada material. Esse prejuízo consiste na deformação plástica, sendo resultado da interação entre a ponta da ferramenta e a superfície da peça. A região da ponta inclui a aresta de corte, o quebra-cavacos e a superfície de folga da ferramenta. As falhas nas peças usinadas ocorrem por fluência, fadiga e/ou por corrosão sobre tensão. Tais falhas começam por pequenas trincas na superfície da peça e são propagadas para o centro 28 ocorrendo sua quebra súbita. Estas falhas dependem do tipo de ferramenta utilizada, da força da ferramenta na superfície da peça, do tipo de corte ortogonal ou não, e da temperatura do cavaco. A superfície usinada do material contém tensões residuais, onde sua grandeza e natureza dependem dos parâmetros de corte adotados. Na usinagem de superligas, na zona de contato entre a ferramenta e a peça, criam-se elevadas pressões e temperaturas e por serem ligas resistentes a altas temperaturas, devido à sua reduzida condutibilidade térmica, a condução de calor para o cavaco ocorre em pequena escala (WITTING, 2002). Dessa forma essas ligas só podem ser usinadas com velocidades reduzidas, sendo que sua usinagem é dificultada pelo encruamento e formação de aresta postiça de corte. Além disso devem ser consideradas a elevada tenacidade do material e a formação de cavacos em forma de fita e espirais. A usinagem de ligas resistentes a altas temperaturas torna-se vantajosa quando realizadas até próximas às dimensões finais da peça, para então ser tratada termicamente e finalmente usinada em acabamento. Essa operação em acabamento permite a obtenção da superfície final desejada da peça, minimizando a preocupação quanto às distorções decorrentes do tratamento térmico (DI RAIMO & PORTO, 2001). Onde for possível, usar geometrias de corte positivas para operações de semi acabamento e acabamento, elas diminuem o encruamento da superfície, por remover os cavacos da peça de maneira mais eficiente. Ângulos de saída mais positivos, também ajudam a minimizar o fenômeno da aresta postiça. No caso de ligas de titânio recomenda-se o uso de arestas arredondadas para operações de usinagem, onde as exigências quanto à integridade da superfície são melhoradas em relação às arestas agudas em operações de acabamento, onde o compromisso com a integridade da superfície é maior. Ferramentas de corte com raios de ponta maiores são vantajosas e devem ser usadas onde não existirem restrições geométricas por parte do perfil da peça a ser usinada. Esses raios tendem a aumentar o perímetro de contato da ferramenta de corte, distribuindo os esforços e prevenindo danos localizados. Durante a usinagem é indispensável à estabilidade da ferramenta uma vez que, a rigidez previne vibrações, as quais danificam o acabamento superficial e causam a quebra da ferramenta. Preparações rígidas e estáveis possibilitam a manutenção de tolerâncias mais estreitas. 29 Cuidados especiais devem ser tomados para evitar a flexão dos componentes, particularmente em peças delgadas. As avarias e desgastes estão diretamente associados às propriedades mecânicas e físicas do material a ser usinado. Como as características metalúrgicas das ligas resistentes a altas temperaturas são muito variadas, é muito comum encontrar-se diferentes mecanismos de desgaste (CUNHA, 2004). 2.2 DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÕES DE SUPERLIGAS A BASE DE TITÂNIO O titânio é encontrado em toda a crosta terrestre e ocupa o nono lugar (0,6%) na ordem de abundância de elementos, sendo o quarto metal mais abundante atrás apenas do alumínio, ferro e magnésio. Seus principais minérios são o rutilo (TiO2) e a ilmenita (FeTiO3), dos quais se extrai o titânio metálico puro por complexas operações baseadas no processo Kroll, desenvolvido em 1950 pelo alemão Wilhelm Kroll, viável para escalas industriais, utilizando o magnésio como agente redutor do tetracloreto de titânio (TiCl4) em atmosfera inerte, que é utilizado até hoje (YANG et al., 2006). O titânio é um elemento de baixa massa específica que pode ter suas propriedades mecânicas melhoradas pela adição de elementos de liga e pelo processamento termomecânico. O titânio é não magnético, possui boas propriedades térmicas com seu coeficiente de expansão térmica pouco menor que o do aço e menos da metade do alumínio. O titânio e suas ligas possuem ponto de fusão maior que o do aço e temperaturas máximas de utilização em aplicações estruturais na faixa de 420 a 540 °C (COLLINGS, 1983). O titânio exibe resistência aos meios corrosivos, ácidos, alcalinos, aquosos, orgânicos e atmosferas oxidantes. As principais propriedades do titânio que o tornam o material mais utilizado em aplicações, onde se exige elevado desempenho e confiabilidade, são listados a seguir (DONACHIE, 1988): - elevada relação resistência mecânica/peso. - baixa massa especifica. - elevada resistência à corrosão. - excelente biocompatibilidade. - pode ser forjado por meio de técnicas convencionais. - pode ser fundido utilizando-se a técnica de fundição por precisão. - pode ser processado por meio de metalurgia do pó. 30 - pode ser soldável (soldagem por fusão, TIG, brasagem, etc.). Considerado um material estratégico, o desenvolvimento da indústria de titânio passou a ser uma das metas dos países desenvolvidos. Entretanto, seu elevado custo de fabricação e processo diminuiu o ímpeto desse entusiasmo e a utilização do titânio ficou restrita ao uso nas indústrias aeroespacial, química e naval. A indústria do titânio, todavia, tem buscado ampliar o seu campo de utilização e as aplicações mais recentes estão na área de equipamentos esportivos e próteses ortopédicas. As principais áreas de aplicações de titânio estão na indústria (HERMAN et al, 1988): - Indústria aeronáutica, fuselagem e palhetas de turbinas. - Indústria naval, tubulação e válvulas submarinas. - Refinaria petroquímica, tubulação. - Equipamentos esportivos, tacos de golfe, bicicletas e raquetes. - Medicina, próteses odontológicas e ortopédicas. - Indústria nuclear, material para armazenagem de lixo atômico. - Eletro química, eletrodos recobertos. - Indústria de celulose, lavadores, bombas e tubos. - Trocadores de calor, tubulação de refrigeração. - Condensadores, tubulação. - Planta de destilação, tubos soldados com parede fina. - Extração de metais, reatores para hidro metalurgia. - Joalheria, óculos, anéis e relógios. - Arquitetura, telhados, janelas e grades. - Na indústria automobilística, onde a competição entre os materiais é grande, os japoneses vêm empregando alguns componentes de titânio como válvulas, molas e sistemas de exaustão de gases. Contudo, o futuro da aplicação de titânio nesse setor depende da produção de componentes com um custo abaixo de US$ 1,35 por quilo (WILLIAMS & STARKE, 2003). - Na indústria aeronáutica, o desenvolvimento de novos materiais esteve sempre sincronizado com o aumento do desempenho das aeronaves. A necessidade de aeronaves maiores, mais rápidas e com o menor consumo de combustível direcionou o progresso dos materiais à base de ligas de titânio. No século XXI, 50% da redução do peso das aeronaves estarão relacionados com a utilização de ligas de titânio de alta resistência mecânica e compósitos de sua matriz metálica. Tratamentos térmicos que aumentem o módulo de elasticidade e a resistência à propagação de trincas podem auxiliar na redução do peso de um componente, mas são ações de 31 três a cinco vezes menos eficientes que a redução da massa especifica do material (IMMARIGEON et al.,1995). Cada quilograma extraído de uma aeronave representa uma economia operacional de até US$ 1,000/ano (ROSATO, 2003). Contudo, fatores relevantes como durabilidade do componente e redução do impacto ambiental também precisam ser considerados no desenvolvimento de novos materiais e processos (WILLIAMS & STARKE, 2003). O titânio é um material de recente aplicação industrial quando comparado às ligas de aço e de alumínio, com produção em larga escala iniciada na década de 50. Sua massa especifica é aproximadamente 56% menor que a do aço ABNT 4340 (WILLIAMS, 1999). As ligas de titânio apresentam uma alta relação resistência mecânica/peso em relação as ligas do aço, que permitem a redução do peso em trens de pouso de aeronaves mantendo suas dimensões originais e a capacidade de sustentar o carregamento exigido em serviço. Além disso, a elevada resistência à corrosão aumenta a durabilidade dos componentes em serviço (BOYER, 1996; WILLIAMS, 1999). 2.2.1 O titânio e suas ligas O desenvolvimento da indústria aeroespacial é o maior responsável pela retomada das pesquisas do titânio com a aplicação cada vez maior deste material na estrutura e componentes de aeronaves em relação a outros materiais como compósitos de carbono laminado e compactado, alumínio e outros compósitos, conforme é mostrado na Figura 1. 32 Figura 1 – Airbus A380 ou Boeing 787 Fonte: Adaptado do (O FASCINANTE MUNDO DOS METAIS, 2010) As ligas de titânio são eficientes por aumentar a relação resistência mecânica/peso em estruturas e proporcionar componentes mais leves em temperaturas de trabalho de até 600 °C, como na relação de materiais utilizados na turbina do Airbus A380, como mostrado na Figura 2 (a) e (b). Figura 2 - Turbina do Airbus A380 (a) (b) Fonte: Adaptado do (O FASCINANTE MUNDO DOS METAIS, 2010) As ligas de titânio apresentam ainda uma resistência mecânica especifica superior as das ligas de aço e alumínio na mesma faixa de temperatura, como pode ser visto na Figura 3 (IMMARIGEON et al., 1995; WILLIANS & STARKE, 2003). http://2.bp.blogspot.com/_5ST5h7ELUzk/SxFJ1qTMMHI/AAAAAAAAABw/seL1D3_n1Dg/s1600/GE.gif 33 Figura 3 - Influência da temperatura na resistência mecânica dos materiais Fonte: (SILVA, 2007) O titânio é um elemento alotrópico com temperatura de transformação de aproximadamente 882°C, na qual sua estrutura cristalina muda de hexagonal compacta (α) para cúbica de corpo centrado (β). O titânio α de estrutura cristalina HC é frágil e altamente reativo com o oxigênio, o que dificulta trabalhos mecânicos e a fase β estrutura cristalina CCC tem maior conformabilidade. O titânio tem grande afinidade pelos elementos: hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio, todos formadores de solução sólida intersticial. Os elementos de liga interferem na temperatura de transformação alotrópica. Carbono, estanho, alumínio, nitrogênio e oxigênio aumentam a temperatura de transição e são chamados estabilizadores α. Manganês, cromo, vanádio, ferro, molibdênio e nióbio decrescem a temperatura de transição, são os estabilizadores β. A presença dos estabilizadores determina a fase alotrópica estável em temperatura ambiente, apresentado na Figura 4. A mistura dos estabilizadores, forma ligas isomorfas com a ocorrência das duas fases, dependendo das porcentagens dos elementos e da temperatura. Assim, as ligas de titânio são classificadas como α, (α + β) e β, sempre relacionadas à retenção da fase β a temperatura ambiente. As ligas obtidas no limite das fases α / (α + β) ou (α + β) / β denominam as subcategorias quase α e quase β, respectivamente (BOYER et al., 1994). Ainda na Figura 4 é apresentada a evolução da microestrutura durante o resfriamento de uma temperatura TA até TD, para uma liga de composição global com 4% em peso de vanádio 34 e 6% em peso de alumínio, denominado como Ti6Al4V. A uma temperatura TA acima da temperatura de transformação alotrópica (T= 882 0C) o sistema é constituído por uma só fase sólida, denominada lamelar. Ao atingir a temperatura TB (955 0C), a microestrutura é formada por primário e (acicular. À medida que a temperatura diminui, TC (900 0C), a fração de segunda fase (aumenta através de mecanismos difusionais. Se continuarmos o resfriamento até a temperatura ambiente (TD) o sistema é formado por grãos alfa equiaxiais cincundados por beta intergranular. Figura 4 - Influência dos elementos de liga no diagrama de equilíbrio das ligas de titânio e o diagrama de fase do Ti6Al4V em várias temperaturas Fonte: Adaptado do (DYE, 2007) As ligas α tem valores mínimos de resistência mecânica entre 170 e 480 MPa, retendo suas propriedades mecânicas até 1050°C e tendo na indústria de turbinas a gás sua principal demanda. Essas ligas têm ainda baixa ductilidade, boa soldabilidade e também são utilizadas em aplicações criogênicas, pois não apresentam transição dúctil-frágil. Sua resistência 35 mecânica é comparada aos aços inoxidáveis da série 300, mas com uma redução de 40% da massa especifica. As ligas quase α apresentam pequenos teores de estabilizadores de β e permitem que uma pequena quantidade de β possa ser retida a temperatura ambiente em equilíbrio metaestável. Sua principal propriedade é a elevada resistência à fluência. A liga Ti6Al2Sn4Zr2Mo desse grupo é aplicada em motores aeronáuticos (BOYER, 1996; COLLINGS, 1983). As ligas quase β são tratáveis termicamente por envelhecimento dentro do campo (α + β), com boa tenacidade, inclusive em ambiente marítimo, e forjabilidade a frio mantendo níveis de resistência mecânica elevada e uniforme em toda a geometria dos componentes. A liga Ti10V2Fe3Al foi desenvolvida para aplicações estruturais na indústria aeroespacial (BOYER, 1996; RIBEIRO et al., 2002; WARCHOMICKA et al., 2006). Com mais de 50% da fase β presente na microestrutura, as ligas β apresentam somente a fase β em equilíbrio termodinâmico, tem alta conformabilidade para trabalhos a frio, mas não são indicadas para aplicações criogênicas. A liga Ti13V11Cr3Al, a primeira liga β produzida comercialmente, foi aplicada na fuselagem do avião militar “Blackbird” SR-71. As molas de titânio, uma aplicação atual das ligas β, reduzem em até 50% o peso de molas anteriormente feitas em aço, com maior resiliência (WILLIANS & STARKE, 2003; BOYER, 1996). Algumas ligas β possuem as duas fases em equilíbrio a temperatura ambiente; contudo, as ligas (α+β) são caracterizadas pela adição de ambos os estabilizadores da fase α e β, permitindo que o campo (α+β) esteja presente na temperatura ambiente. Esse grupo contém de 10 a 50% da fase β em sua microestrutura, mas acima de 20% de β em sua composição as ligas de titânio em geral perdem a soldabilidade. Os valores mínimos de resistência mecânica estão em torno de 896 MPa. As ligas de titânio binárias são tratáveis termicamente, que amplia consideravelmente suas propriedades mecânicas. No Quadro 1 são apresentas algumas ligas de titânio e suas propriedades para cada classificação (BOYER, 1994; IMMARIGEON et al., 1995; RIBEIRO & GALDINO, 2011). 36 Quadro 1 - Propriedades mecânicas das ligas de titânio Fonte: (IMMARIGEON et al., 1995; CALLISTER, 2002; BOYER et al., 1994) Apesar de inúmeras aplicações, algumas condições mecânicas não permitem a utilização direta do titânio. Sua estrutura hexagonal compacta somada a baixa resistência ao cisalhamento permite a transferência de material a um contra corpo de contato, atribuindo ao titânio um alto coeficiente de atrito e baixa usinabilidade. Por essas razões, em componentes nos quais a resistência ao desgaste e integridade superficial é relevante, as ligas de titânio devem ser utilizadas após um tratamento superficial especifico (SUNDARAM, 2006; BUDZYNSKI et al., 2006; TAKTAK, 2007; YETIM et al., 2008). As ligas de titânio são classificadas de acordo com as fases presentes em sua microestrutura em temperatura ambiente. No Quadro 2 são mostradas as principais ligas de acordo com sua classificação. As ligas α apresentam boa resistência mecânica e tenacidade, Tipo de Liga Comum (UNS) Composição (%p) Condição Propriedades mecânicas σrupt (MPa) σe (MPa) Ductilidade (%) Comercial/ Puro (R50500) 99,1Ti Recozida 484 414 25 α Ti5Al2,5Sn (R54520) 5,0Al, 2,5Sn Recozida 826 784 16 Near α Ti8Al1Mo1V (R54810) 8,0Al, 1,0Mo, 1,0V Recozida (Duplex) 950 890 15 (α + β) Ti6Al4V (R56400) 6,0Al, 4,0V Recozida 947 877 14 Near β Ti10V2Fe3Al 10,0V, 2,0Fe, 3,0Al Solubilização + Envelhecimento. 1223 1150 10 β Timetal R21 R58210 15,0Mo, 3,0Al, 2,7 Nb, 0,25Si Solubilização + Envelhecimento. 1240 1170 6 37 mas possuem pouca conformabilidade devido à estrutura cristalina da fase α (HC). As ligas β possuem boa conformabilidade, devido à estrutura cristalina da fase β (CCC), boa resistência à fadiga a frio e a quente, porém apresentam grande vulnerabilidade à contaminação pela atmosfera. As ligas (α+β) apresentam uma combinação das características das duas fases presentes em sua microestrutura apresentando uma boa conformabilidade, boa resistência à fadiga a frio, mas são frágeis em altas temperaturas com baixa usinabilidade. Ao contrário das ligas α, as ligas (α+β) são tratáveis termicamente. Quadro 2 – Classificação de algumas ligas de titânio Alfa (α) Alfa + Beta (α+β) Beta (β) Ti0,2Pb Ti6Al4V Ti13V11Cr3Al Ti5Al2,5Sn Ti5Sn8Mn TiAl8V5Fe Ti8AlMoV Ti7Al4Mo Ti6Al2CoTaMo Ti4Al3MoV Ti6Al2Sn4Zr2Mo Ti3Al2,5V Fonte: (CALLISTER, 2002; COLLINGS, 1983) 2.2.2 Características da liga Ti6Al4V A liga Ti6Al4V possui alta resistência mecânica específica, tenacidade e ductilidade, sendo a mais utilizada em todas as áreas industriais. Desenvolvida para indústria aeronáutica nos anos 50, essa liga foi inicialmente aplicada em palhetas de turbina. Atualmente, produtos forjados são aplicados em componentes estruturais de aeronaves, automóveis de alto desempenho, em bielas, válvulas e braços do balancim, e na indústria naval, em hidrofólios e equipamentos sonares. Implantes e próteses médicas também são produzidos a partir da liga Ti6Al4V que é biocompatível. No entanto, novas ligas estão sendo desenvolvidas para substituir o alumínio e o vanádio, cujos íons podem causar problemas de saúde em longo prazo (BOYER et al., 1994; BABU et al., 2007). A produção da liga Ti6Al4V representa 60% da produção mundial de titânio, sua resistência mecânica pode ser controlada por tratamento térmico, alcançando níveis acima de 1100 MPa (FERRANDINI et al, 2007). A liga Ti6Al4V tem baixa usinabilidade que está relacionada com sua baixa resistência ao cisalhamento plástico resultando em uma baixa integridade da superfície usinada. 38 2.2.3 Mecanismos de deformação plástica do Ti6Al4V Nos metais de estrutura hexagonal compacta, diferentes modos de deformação podem ser ativados durante a deformação plástica: o deslizamento do plano na direção de escorregamento (“gliding”) e por maclagem (“twinning”). Entretanto, o processo de maclagem não foi observado em ligas (α + β) em temperatura ambiente em carregamento estático (SALEM et al., 2003; BRIDIER et al., 2005). As direções de deslocamento cristalográfico em cristais puros HC, descritas na Figura 5, são os três planos dominantes que contém essas direções de escorregamento: o plano basal (B), os três planos prismáticos (P) e os seis planos piramidais de primeira ordem (П1) que possuem o vetor a. Essas direções não produzem elongação ou redução paralela ao eixo c. Para acomodar o esforço na direção c, são ativados os sistemas de escorregamento de primeira e segunda ordem (П2) por maclação, com o vetor c + a (BRIDIER et al., 2005; BALASUBRAMANIAN & ANAND, 2002; ADIB et al., 2007). As análises dos modos de deformação nas ligas de titânio bimodal Ti6Al4V, mostradas na Figura 5, revelaram a coexistência de sistemas de escorregamento basal, prismático e piramidal de primeira ordem na mesma amostra. Figura 5 - Sistemas de escorregamento em metais de estrutura HC Fonte: Adaptado de (BRIDIER, et al., 2005) Os dois primeiros mostram-se dominantes em relação ao último, com carregamentos estáticos. Com o aumento da temperatura, outras direções tornam-se possíveis, ativando também os sistemas de escorregamento piramidais de primeira e segunda ordem. Esse é o 39 fenômeno responsável pela manutenção das propriedades mecânicas das ligas de titânio em temperaturas elevadas (BRIDIER et al., 2005; BRIDIER et al., 2008). Um grande desafio na usinagem de uma liga bimodal como é o caso do Ti6Al4V é se encontrar condições de usinagem onde o cisalhamento plástico seja atendido nas duas fases α (HC) e β (CCC) presentes em sua microestrutura, em diferentes temperaturas de corte. 2.2.4 Composição química e micro estrutural do Ti6Al4V A liga de titânio mais utilizada comercialmente é a liga (α + β), Ti6Al4V, cuja composição química pode ser observada no Quadro 3. Esta liga contém 6% de alumínio que estabiliza a fase β, aumentando a temperatura de transformação (α + β) → β, além disso, a presença de alumínio nesta liga aumenta a resistência mecânica a altas temperaturas. A adição de 4% de vanádio aumenta a resistência mecânica por dois mecanismos: por solução sólida e por estabilizar a fase (α + β) a temperatura ambiente. A presença de fase (α + β) também facilita a conformidade da liga devido à maior ductilidade desta fase. O tratamento térmico de recozimento da liga Ti6Al4V pode ser executado com aquecimento entre 705 e 790°C por 1 a 4 horas, seguido de resfriamento ao ar, em chapas e barras pequenas, o resfriamento ao ar pode resultar em pequena perda de resistência. O alívio de tensões pode ser conseguido, geralmente, aquecendo o material entre 480 e 650°C por 1 a 4 horas, seguido de resfriamento ao ar ou no próprio forno. Já o tratamento de solubilização o aquecimento deve ser realizado entre 955 e 970°C por 1 hora com resfriamento em água, enquanto o tratamento subsequente de envelhecimento deve ser feito a uma faixa de temperatura entre 480 e 595°C por 4 a 8 horas ou entre 705 e 760°C por 2 a 4 horas. Quadro 3 – Composição química da liga Ti6Al4V Elementos Al V Fe O N H C Outros Ti Teor (% em peso) 5,50 – 6,75 3,50 – 4,50 Máx. 0,40 Máx. 0,20 Máx. 0,05 Máx. 0,125 Máx. 0,10 Máx. 0,40 Balanço Fonte: (ASTM B 381, 1971) 40 2.2.5 Usinagem da liga Ti6Al4V As indústrias aeronáutica e aeroespacial que fabricam componentes com ligas de titânio Ti6Al4V caracterizam-se por apresentarem um custo elevado na fabricação de peças usinadas, principalmente em relação ao custo hora/máquina, por este motivo é interessante diminuir os tempos de usinagem das peças e aumentar o uso efetivo das ferramentas, pois o custo/hora nestas indústrias é mais elevado do que nas indústrias convencionais (DE FARIA, 2007). Estas indústrias diante das mudanças ocorridas nos últimos anos no transporte aéreo e no desenvolvimento de novos produtos, exigem disponibilidade de novos materiais com ampla quantidade de informações sobre eles, suficientes para seu processamento. Um exemplo de usinagem de ligas resistentes a altas temperaturas foi demonstrado por Ezugwu e Wang, (1997) onde na usinagem da liga Ti6Al4V, cerca de 80% do calor gerado não pode ser removido com o fluxo do cavaco, conforme mostrado na Figura 6, ficando este calor retido na ferramenta. Para efeito comparativo, cerca de 50 % do calor gerado é absorvido na ferramenta com a usinagem do aço. Figura 6 – Comparação da percentagem de distribuição de calor conforme o material da ferramenta utilizada Fonte: Adaptado de (EZUGWU & WANG, 1997) 41 A baixa usinabilidade da liga Ti6Al4V impõe uma extrema tensão térmica e mecânica a aresta de corte, levando às deformações plásticas e acelerados desgastes das ferramentas de corte (SALES et al., .2002). A liga Ti6Al4V tem usinabilidade reduzida, pois dissipa muito pouco o calor gerado na zona de corte e concentra altas temperaturas nas pastilhas acelerando os mecanismos de desgaste por abrasão, difusão, adesão (JIANG et al., 2010). O titânio e suas ligas como o Ti6Al4V são altamente reativos ao oxigênio e ao cloro podendo liberar grande quantidade de calor quando reagem em condições sem lubri- refrigeração, porém pequenas quantidades de vapor d’água são suficientes para passivar estas reações (MOISEYEV, 2005). As falhas típicas observadas quando se usinam estas ligas são: desgaste de flanco, entalhe, lascamento e falha catastrófica (RIBEIRO et al., 2003). As ferramentas usadas para usinagem destas ligas devem possuir adequada dureza a quente, devido às altas temperaturas geradas a condições de alta abrasão e atrito e baixa condutibilidade térmica do material (RIBEIRO & GALDINO, 2011). 2.3 FRESAMENTO O fresamento é uma operação intermitente de usinagem que utiliza uma ferramenta de corte com um ou mais dentes, denominada fresa. A fresa está fixada no eixo árvore da fresadora enquanto a peça está fixada na mesa que se move linearmente, com a ferramenta de corte atuando sobre a peça (ALTINTAS, 1988). Outra definição é apresentada por Ferraresi, (1978) que define o fresamento como a operação de usinagem onde a ferramenta, a fresa, possui arestas cortantes dispostas simetricamente em torno de um eixo, e esta executa a retirada do material através do movimento de corte provido pela rotação da mesma sobre seu eixo. O movimento de avanço é realizado, geralmente pela mesa da máquina. As principais características do fresamento são (ROSA; SÍQUEIRA, 2001): a) utilizar ferramenta multi cortante (fresa) provida de arestas cortantes dispostas simetricamente ao redor de um eixo. b) movimento de rotação da ferramenta ao redor de seu eixo, permitindo, assim que cada uma das arestas cortantes (dentes da fresa) retire parte de material separadamente. c) o movimento de avanço, que permite o prosseguimento da operação, é geralmente realizado pela mesa da máquina, onde a peça está fixada. 42 d) o movimento de avanço obriga a peça a passar sob a ferramenta que lhe dá a forma e dimensão desejada. e) a diversidade das ferramentas multi cortantes (fresas), confere a esta operação um caráter de versatilidade das várias superfícies necessárias numa peça. Dentre as operações de usinagem existentes, o fresamento é a mais versátil na geração de superfícies planas não de revolução. Sua versatilidade é justificada principalmente à grande variedade de geometrias que suas ferramentas podem apresentar, tornando possível, por consequência, a geração de um número igualmente vasto de superfícies (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2001). Além disto, a operação de fresamento apresenta outra vantagem em relação aos demais processos de usinagem que é o fato de apresentar alta produtividade aliada a um bom acabamento. Isto se deve, ao fato de utilizar ferramentas que podem apresentar um número elevado de arestas de corte, sendo que as mesmas proporcionam um avanço de mesa alto, e consequentemente, uma alta produtividade. Como o número de arestas é alto, pode-se utilizar um avanço por dente (fz) pequeno, que a produtividade ainda será alta. Essa situação, de maneira geral, proporciona um ótimo acabamento. O processo de fresamento possui corte interrompido ou interrupto possibilitando uma melhor refrigeração das ferramentas durante a usinagem. A escolha do número de dentes da fresa deve levar em conta a saída de cavacos necessária na usinagem, evitando danos que prejudiquem o acabamento superficial da peça. 2.3.1 Fresamento frontal e grandezas do processo Dentes ativos estão na superfície frontal da ferramenta, cujo eixo é perpendicular à superfície a ser usinada. As ferramentas usadas no fresamento frontal são chamadas fresa frontal ou de topo (DE SÁ, 2010). As grandezas e relações geométricas do fresamento apresentam uma terminologia baseada na ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Algumas grandezas principais podem ser divididas em: - Velocidade de corte (Vc): é a velocidade tangencial instantânea resultante da rotação da ferramenta em torno da peça, onde os movimentos de corte e de avanço ocorrem concomitantemente. - Avanço (f): é o percurso de avanço linear da ferramenta por volta do cabeçote fresador, medido na direção do avanço. 43 - Avanço por dente (fz): é o percurso de avanço por dente e por volta ou curso da ferramenta, medido na direção do avanço. - Profundidade de usinagem (ap): é profundidade de penetração da ferramenta em relação à peça, medida perpendicularmente ao plano de trabalho do fresamento frontal. - Penetração de trabalho (ae): é a penetração da ferramenta em relação à peça, medida no plano de trabalho e perpendicularmente à direção de avanço. Em função das propriedades e resistência do material a ser fresado determina-se a melhor opção para o material empregado nas pastilhas de corte, material e processo de revestimento das pastilhas, diâmetro da fresa (D), cabeçote fresador e número de pastilhas, ajustagens e rigidez da máquina, geometria do quebra cavacos, ângulos de corte e raio de ponta das pastilhas, o uso ou não de lubri-refrigeração, profundidade de corte (ap), penetração de trabalho (ae), avanço por dente (fz), sentido de corte da fresa, rotação do cabeçote fresador (S) e velocidade de corte (Vc) são alguns dos parâmetros de influência que devem ser ajustados entre si no processo para a obtenção do menor desgaste possível das pastilhas, maior comprimento de corte, produtividade e menor rugosidade da peça usinada. Fatores como choques mecânicos e térmicos, forças de corte, tensões residuais, micro dureza, vibrações, formas do cavaco e temperatura da usinagem devem ser controlados com os ajustes dos parâmetros acima citados evitando o desgaste prematuro das pastilhas e baixa qualidade no acabamento superficial da peça. Através da análise da progressão do desgaste da pastilha de corte e de seus modos de falha, da rugosidade média e máxima da peça, da microestrutura do desgaste da pastilha, e do relevo da peça usinada pode-se avaliar a ação dos mecanismos de desgaste das pastilhas de corte e a rugosidade topográfica da peça com a variação dos parâmetros de corte selecionados. Tendo em vista que no fresamento frontal, o material empregado apresenta limitações ao ser usinado, às variações dos ângulos de posição, de saída radial e axial (Figura 7a, b) devem ser positivos, para maior vida da ferramenta e melhor acabamento superficial da peça. A penetração de trabalho (ae) deve estar entre 75% e 90% do diâmetro da fresa (D) para um melhor equilíbrio de forças na usinagem, maior vida da ferramenta e menores vibrações (SANDVIK COROMANT, 2009). Levando-se em consideração a resistência da ferramenta e rigidez do sistema de fixação, recomenda-se a aplicação de valores pequenos de profundidade de corte para as operações de acabamento. Conseguindo-se manter os esforços de corte baixos, a vibração e a deflexão são minimizadas e obtêm-se bons acabamentos superficiais na peça usinada (SANDVIK, 2010). 44 Para evitar vibrações regenerativas do sistema, de modo geral, os cabeçotes fresadores são providos de uma divisão não regular dos dentes. Ao contrário do torneamento, no fresamento a espessura instantânea do cavaco (h) varia periodicamente em função da imersão da ferramenta de corte (ALTINTAS, 1988). A espessura instantânea do cavaco (Figura 7b) varia a cada ciclo de corte provocando cargas mecânicas variáveis além de choques mecânicos originados pelo corte interrupto do fresamento. Figura 7 (a) e (b) – Fresamento frontal: parâmetros, sentido e posição de corte. (a) (b) 2.3.2 Sentidos de corte do fresamento O sentido de corte (Figura 8) é uma variável de muita importância na usinagem e pode ser classificada em: a) sentido de corte concordante. b) sentido de corte discordante. Figura 8: Sentidos de corte Fonte: Adaptado de (SANTOS & SALES, 2003) 45 Segundo a empresa SANDVIK, (2010) uma aplicação importante para o metal duro é o máximo uso possível de percursos de ferramentas em fresamento concordante, pois a aresta de corte é exposta principalmente a esforços de compressão, enquanto que no fresamento discordante a aresta de corte é exposta principalmente a esforços de tração, lembrando-se que a ferramenta de metal duro de um modo geral suporta bem mais às solicitações de compressão do que às de tração. Por essa razão quase sempre, é mais vantajoso fazer fresamento concordante do que discordante. Quando a aresta de corte entra em contato com a peça no fresamento concordante, a espessura do cavaco tem seu valor máximo. No fresamento discordante, quando a aresta de corte entra em contato com a peça, a espessura do cavaco tem seu valor mínimo. A vida útil da ferramenta é geralmente menor no fresamento discordante do que no fresamento concordante, devido à geração de calor ser consideravelmente maior no fresamento discordante, causada pelo atrito que antecede a efetivação do processo de corte. Com a usinagem ocorrendo em superfícies planas com a ferramenta de corte atuante de forma frontal (fresamento frontal) e com a penetração de trabalho de aproximadamente 80% do diâmetro da fresa, o sentido de corte em questão será em parte concordante e em parte discordante, com um ou outro predomínio de sentido de corte dependendo da entrada do corte da fresa. 2.4 FERRAMENTAS DE CORTE Cronologicamente, os principais desenvolvimentos em materiais de ferramentas foram (SCHROETER & WEINGAERTNER, 2002): a) aço ferramenta (1868). b) aço rápido (1900). c) stellite (1910). d) metal duro (1926). e) cerâmicas (1938). f) nitreto de boro cúbico (década de 50). g) diamante mono e poli cristalino (últimas décadas). A escolha correta do material da ferramenta deve ser feita com muito cuidado para não comprometer o processo de usinagem. Para isso alguns critérios de seleção devem ser respeitados e foram apresentados por Shaw, (1986), Trent e Wright, (1991), Diniz et al., (2002) e Machado e da Silva, (2009): 46 - Dureza do material a ser usinado. - Processo de usinagem, ou seja, se possui corte interrompido (fresamento), corte contínuo (torneamento), uso ou não de refrigeração/lubrificação do corte, tipo de operação (desbaste ou acabamento), tempo de ciclo. - Forma e dimensão da ferramenta. - Tipo de cavaco gerado pelo material a ser usinado. - Parâmetros de usinagem como: velocidade de corte, avanço e profundidade de corte. - Condições da máquina ferramenta: rigidez (sem folgas/vibrações), potência, controles durante o processo, sistema de refrigeração da ferramenta. - Conciliar custo/benefício da ferramenta. - Atender as características finais do produto como qualidade superficial e dimensional requerida. Para que a escolha da ferramenta seja a mais correta, deve-se observar se a ferramenta de corte escolhida possui as propriedades a seguir: - Alta dureza, principalmente a quente. - Tenacidade suficiente para evitar falhas por rupturas. - Alta resistência ao desgaste. - Alta resistência à compressão e ao cisalhamento. - Boas propriedades mecânicas e térmicas, este fator é muito importante principalmente para a dureza a quente do material. - Alta condutividade térmica. - Baixo índice de expansão volumétrica. - Alta resistência ao choque térmico. - Ser inerte quimicamente. Essas propriedades não estão listadas em ordem de importância, devido à variação do processo de usinagem, como material a ser usinado e condições de corte. No entanto, pode-se dizer que as propriedades mais significativas dos materiais das ferramentas de corte são a dureza e a tenacidade (MACHADO & DA SILVA, 2004). O maior desafio no desenvolvimento de ferramentas de corte está exatamente no balanço entre a dureza e a tenacidade, visto que são duas propriedades de extrema importância para o desempenho da ferramenta de corte e que não são facilmente encontradas em um mesmo material. Atualmente se consegue boas combinações de dureza e tenacidade, tanto em materiais do substrato da ferramenta quanto nos revestimentos. As ferramentas revestidas buscam o equilíbrio entre as propriedades necessárias através do uso de material base (o substrato) que 47 confere propriedades de tenacidade e alguma dureza, e um revestimento, com alta dureza, resistência à abrasão e inércia química. Segundo Machado et al., (2009) um material idealizado para ferramenta de corte teria que ter a dureza do diamante natural, a tenacidade do aço-rápido e a inércia química da alumina. Como isso não é possível cabe à análise das propriedades já citadas e a escolha do material que melhor atender o tipo de aplicação exigida. O material para ferramentas de corte mais utilizados na indústria metal mecânica são do grupo do metal duro com ou sem revestimento. Para melhor compreender este fato dar-se-á uma melhor definição destes grupos de materiais. 2.4.1 Metal duro. Segundo Diniz et al., (2008) o metal duro é o material de ferramentas de corte mais utilizado na indústria, devido à combinação de dureza à temperatura ambiente, dureza a quente, resistência ao desgaste e tenacidade, obtida através de uma variação de sua composição química. O metal duro é um produto resultante da metalurgia do pó feito de partículas duras finamente divididas de carbetos de metais refratários, sinterizados com um ou mais metais do grupo do ferro (ferro, níquel ou cobalto), formando um corpo de alta dureza e resistência à compressão. O metal duro é formado basicamente por dois constituintes: - Carbetos de tungstênio (WC): extremamente duro e de alta resistência ao desgaste. Podem ser associados a outros carbetos como os de titânio (TiC), de tântalo (TaC) e de nióbio (NbC) que conferem dureza a temperatura ambiente e sua retenção a altas temperaturas. O tamanho das partículas é geralmente de 1 a 10 μm e ocupam de 60 a 95% do volume do material. Hoje em dia já são produzidas partículas de ordem de 0,1 μm, fazendo com que a resistência ao desgaste e principalmente à tenacidade aumente. - Elemento ou metal aglomerante: trata-se de um metal do grupo do ferro, usualmente o cobalto, cuja função é aglomerar as partículas dos carbetos, sendo responsável pela tenacidade do material. A diminuição da porcentagem de cobalto aumenta a dureza a quente, do material. Existem alguns critérios para uma boa escolha de uma ferramenta de metal duro para uma determinada aplicação, podendo ser citados (DINIZ et al., 2002): - Severidade da operação de usinagem: classes de ferramentas com maior teor de cobalto são utilizadas em operações de desbaste, com avanço e profundidade de corte maiores e cortes interrompidos, por criarem tensões elevadas na ferramenta. 48 - Velocidade de corte: classes de ferramentas com menor teor de cobalto e mais carbetos são utilizadas em operação de acabamento, com maiores velocidades de corte, por necessitarem de maior resistência ao calor e à abrasão. - Condições da máquina-ferramenta: classes com maior tenacidade, ou seja, maior teor de cobalto são recomendados para máquinas menos rígidas, menos potentes, devido à relativa baixa resistência desses materiais, embora ocorra uma redução da vida da ferramenta. O metal duro é utilizado, na maioria das vezes, na forma de pastilhas intercambiáveis com fixação mecânica em porta-ferramenta. Outra característica favorável do metal duro é o seu coeficiente de dilatação térmica. Este coeficiente tem um valor duas vezes menor comparado com o do aço em temperaturas ambiente e de até 675°C. O metal duro é classificado, segundo a Norma ISO, em seis classes, P, M, K, N, S e H (SANDVIK, 2005). - Classe P: constituído de metais duros de elevado teor de TiC e TaC, conferindo assim à classe maior resistência ao desgaste e elevada dureza a quente. Esta classe é indicada para usinagem de materiais que produzem cavacos contínuos: aços, ferro fundido maleável e materiais dúcteis em geral. Por formarem uma área de atrito grande com a superfície de saída da ferramenta, desenvolvem altas temperaturas de corte e por isso tem um desgaste mais acentuado da ferramenta (desgaste de cratera). - Classe M: possui propriedades intermediárias, sendo destinados a ferramentas com várias aplicações. Esta classe é indicada para usinagem de metais e ligas ferrosas que apresentam tanto cavacos longos como curtos, como por exemplo, o aço inoxidável. - Classe K: composto de carbetos de tungstênio aglomerados pelo cobalto. Esta classe é indicada para a usinagem de ferro fundido cinzento. Este tipo de metal duro não é resistente ao mecanismo que gera o desgaste de cratera, quando usinando os ferrosos. - Classe N: classe do metal duro que combina excelente resistência ao desgaste por abrasão e agudeza da aresta. Recomendada para metais não ferrosos como cobre, latão ou bronze e não metálicos como plásticos e madeira. - Classe S: classe de metal duro que combina boa resistência à deformação plástica, boa resistência ao desgaste por abrasão, tenacidade e boa resistência a altas temperaturas. Pode trabalhar tanto em altas como em baixas velocidades de corte. Recomendada para superligas resistentes ao calor, incluindo as ligas de titânio. - Classe H: classe de metal duro que combina boa resistência ao desgaste por abrasão e tenacidade para torneamentos de materiais endurecidos em baixas velocidades como aços temperados. 49 Ainda segundo Diniz et al., (2008) as ferramentas de metal duro podem usinar qualquer tipo de material, desde que este material não ultrapasse a dureza de 45 HRc. Como pode ser visualizado na Figura 9, o metal duro convencional, revestido e refinado está na diagonal com a direção mais curta ao “material de ferramenta ideal”, ou seja, tem uma ótima relação entre as características do eixo vertical do gráfico (velocidade de corte, resistência ao desgaste e dureza a quente) e as características do eixo na horizontal (tenacidade e resistência à flexão) e percebe-se que o metal duro refinado ou com sub micro grãos possui maior resistência à flexão e ao desgaste que o metal duro convencional. Figura 9 - Tenacidade em função da dureza a quente Fonte: Adaptado de (MACHADO & DA SILVA, 2004) Nas operações de usinagem como o fresamento, as ferramentas de metal duro podem trabalhar com velocidades de corte bem maiores, comparadas com qualquer velocidade de corte de uma ferramenta de aço-rápido, no entanto há a exigência de uma máquina com maior gama de velocidades e mais rígida, para prevenir vibrações. As classes das ferramentas de metal duro designadas pela ISO são divididas em classes representadas por letras e números conforme exemplo mostrado na Figura 10 (a) A posição e o formato dos símbolos da classe indicam os campos adequados para a aplicação, conforme mostrado na Figura 10 (b). 50 Figura 10 (a) - Exemplo da indicação das classes de metal duro (b) - Classe “S” designada pela norma ISO (a) (b) Fonte: Adaptado de (SANDVIK, 2005) 2.4.2 Revestimentos de pastilhas de corte Segundo Machado, (2000) a utilização de ferramentas de metal duro com revestimentos, atinge cerca de 90% nas indústrias. Este número é consequência de um maior domínio das técnicas de revestimentos, apresentando um custo mais acessível do produto e também um grande número de produtos fornecidos pelos fabricantes de ferramentas. Os revestimentos são aplicados em substratos de quaisquer classes do metal duro. Os metais duros podem receber o revestimento pelo processo PVD (Deposição Física por Vapor) e pelo processo CVD (Deposição Química por Vapor). Os fabricantes de ferramentas possuem em suas linhas de produtos ferramentas revestidas pelos dois processos. Pode ser observado no Quadro 4 uma comparação entres as ferramentas revestidas por ambos os processos, possuindo o mesmo substrato. O processo PVD garante a mesma tenacidade do substrato e isso não ocorre com o processo CVD (MACHADO & DA SILVA, 2000) e ainda por possuir espessuras de camada menores, possibilita quinas mais vivas, garantindo que o raio de ponta da ferramenta seja pouco alterado, promovendo um melhor acabamento superficial na peça. 51 Quadro 4 – Comparação entre os processos CVD e PVD CVD – Deposição Química de Vapor PVD – Deposição Física de Vapor Temperatura de revestimento Aproximadamente 1000 °C Aproximadamente 500 °C Tenacidade Reduzida Não é afetada Aresta de corte Arredondamento requerido Pode ser quina viva Espessura do revestimento Até 12 μm Até 4 μm Camadas Multicamadas TiC-TiN, TiN- TiCN-TiN, TiC-Al2O3 TiN, TiCN, TiAlN Principais aplicações Torneamento e mandrilhamento Fresamento, roscamento e furação Vantagens Maior resistência ao desgaste, maior resistência à craterização Substitui ferramenta sem revestimentos com mesma tenacidade. Reduz a formação da (APC) Fonte: Adaptado de (MACHADO & DA SILVA, 2009) Segundo Diniz et al., (2002) conforme mostrado na Figura 11, as principais características das camadas de revestimentos são: - Carbetos de titânio (TiC): possui excelente resistência ao desgaste por abrasão, funciona como elemento que promove a adesão das camadas de cobertura com o metal duro do núcleo. Possui baixa tendência de soldagem com o material da peça, dificultando o desgaste por adesão e a formação de aresta postiça de corte e baixo coeficiente de dilatação térmica. É o revestimento mais utilizado como primeira camada. - Carbo-nitreto de titânio (TiCN): possui propriedades bastante similares ao TiC, diferindo basicamente por apresentar um coeficiente de atrito inferior e maior dureza o que lhe concede grande resistência ao desgaste de flanco, onde predomina o mecanismo de desgaste por abrasão, e também a sua utilização como camada única de revestimento. - Óxido de alumínio (Al2O3): garante a estabilidade térmica necessária em temperaturas elevadas por ser um material cerâmico refratário e por possuir alta resistência ao desgaste por abrasão, além de alta resistência a ataques químicos e à oxidação. - Nitreto de titânio (TiN): reduz o coeficiente de atrito entre a pastilha e o cavaco. É quimicamente mais estável que o TiC por possuir menor tendência à difusão com aços. - Nitreto de titânio-alumínio (TiAlN) e nitreto de alumínio-titânio (AlTiN): possui maior resistência à oxidação, permitindo o uso de temperaturas mais altas; baixa condutividade térmica, protege a aresta de corte e aumenta a remoção de calor através do cavaco; alta dureza a frio e a quente; alta estabilidade química, que reduz bastante o desgaste de cratera. 52 Figura 11 - Disposição dos principais revestimentos do metal duro Fonte: Adaptado de (SANDVIK, 2005) Na Figura 12 é mostrada a variação da microdureza das camadas de revestimentos em relação ao aumento da temperatura de trabalho (MACHADO & DA SILVA, 2004). Figura 12 - Dureza das camadas de revestimento em função da temperatura Fonte: Adaptado de (MACHADO & DA SILVA, 2004) 53 2.4.3 Tipos de deterioração e seus mecanismos de falhas. Segundo Diniz et al., (2002) e Machado e Da Silva, (2000) os tipos de deterioração mais comuns encontrados são (Figura 13): a) Desgaste de flanco ou frontal: ocorre na superfície de folga, é causado pelo contato com a peça e é o desgaste mais comum encontrado nas ferramentas. b) Desgaste de cratera: ocorre na superfície de saída da ferramenta, causado pelo atrito da ferramenta com o cavaco e pelas elevadas temperaturas geradas pela interface entre o cavaco e a ferramenta. Na utilização de ferramentas cerâmicas ou ferramentas de metal duro com recobrimento, este desgaste é minimizado, em especial quando se utiliza revestimento à base de Al2O3. c) Deformação plástica da aresta de corte ocorre devido às elevadas pressões e temperaturas geradas na ponta da ferramenta. Esta deformação é muito comum acontecer em ferramentas de aço rápido, que não suportam temperaturas elevadas. d) Entalhes: originam-se principalmente nas extremidades da aresta de corte, o que pode desencadear a deterioração prematura da aresta da ferramenta. A morfologia do entalhe depende em grande parte da precisão de posicionamento da aresta de corte. Pode ocorrer tanto na superfície principal de folga como na superfície secundária de folga da ferramenta. O entalhe ocorre principalmente na usinagem de materiais resistentes a altas temperaturas (ligas de níquel, titânio, cobalto e aço inoxidável), devido à abrasão, difusão, adesão e “attrition”, influenciada pelas interações com a atmosfera (oxidação). e) Lascamento: é o arrancamento de partículas com razoável tamanho, comuns em ferramentas com materiais frágeis ou com arestas de corte pouco reforçadas causados principalmente pelo choque térmico (corte interrompido, por exemplo), são mais frequentes em ferramentas que apresentam maior dureza, como no metal duro com recobrimento. Ao contrário do desgaste frontal e de cratera, que retiram continuamente partículas muito pequenas da ferramenta, no lascamento partículas maiores são retiradas de uma só vez, podendo levar até a quebra da ferramenta. f) Esfoliação: é o arrancamento da camada superficial do revestimento da pastilha. g) Trincas: são provocadas por pressões mecânicas alternadas e/ou variações bruscas de temperatura, levando à rápida propagação e ruptura. A ocorrência do corte interrompido, variação da espessura de corte ou acesso irregular do fluido de corte, pode provocar variação na temperatura e esforços de corte e a sua ocorrência. As trincas podem ser transversais ou longitudinais. As trincas transversais se apresentam na superfície de folga, enquanto que as 54 longitudinais (transversais à aresta de corte) podem também se apresentar na superfície de saída da ferramenta. h) Quebras: podem ocorrer por inúmeros fatores como: erro do operador, tipo de raio ou ângulos de ponta muito pequenos, carga excessiva sobre a ferramenta, dificuldade de saída de cavacos, etc. Figura 13 - Resumo de deterioração das ferramentas de corte Fonte: Adaptado de (STEMMER, 1995) Segundo Diniz et al., (2002) e Stemmer, (1995) os mecanismos que proporcionam estas deteriorações são: a) Difusão: transferência de átomos de um material para outro, é dependente da temperatura e solubilidade dos elementos na zona de fluxo. A área desgastada, quando observada no microscópio, é lisa. A taxa de desgaste aumenta com a velocidade de corte e o avanço. b) Aderência: ocorre entre duas superfícies metálicas postas em contato sobre cargas moderadas formando-se entre elas por difusão um extrato metálico de elevada resistência. Sob estas condições com o deslizamento de cavaco fragmentos microscópicos são arrancados da superfície da ferramenta e arrastados juntos com o fluxo e material. c) Abrasão: envolve a perda de material por micro sulcamento, micro corte ou micro lascamento, causado por partículas de elevada dureza relativa. Estas partículas podem estar 55 contidas no material da peça (óxidos, carbetos e outros), ou são partículas da própria ferramenta arrancadas de alguma forma. d) Oxidação: gerada pelas altas temperaturas e presença de ar e água, são originados óxidos complexos de tungstênio, cobalto e ferro, que em decorrência de sua expansão volumétrica, em relação ao WC, constituem-se elevações na superfície da ferramenta, facilitando o lascamento e a quebra da aresta de corte (entalhes). e) Fadiga: variação das forças ou da temperatura podem fragilizar a ferramenta (trincas) levando-a a ruptura. Além da ação cíclica, este fenômeno é provocado por variações na temperatura causadas pelo acesso irregular do refrigerante de corte. f) Attrition: efeito combinado entre a abrasão e a adesão cíclica do material da peça e do cavaco na ferramenta, que ocorre pela remoção de partículas da ferramenta que são arrastadas pelo cavaco no fluxo irregular de material no deslizamento entre o cavaco e a ferramenta causado pelo corte interrupto, espessura irregular do cavaco, vibrações e altas temperaturas. 2.4.4 Vida da ferramenta A vida da ferramenta pode ser definida como sendo o tempo em que a mesma trabalha efetivamente, sem perder o corte ou até que se atinja um critério de fim de vida previamente estabelecido (MACHADO, 2000). Os fatores que determinam quando uma ferramenta deve ser substituída são vários e dentre eles pode-se citar: - O desgaste da ferramenta, atingir proporções tão elevadas que se receie a quebra da aresta de corte. Isto é crítico em operações de desbaste onde, por não ser necessário à obtenção de tolerâncias apertadas e bons acabamentos superficiais, permite-se que o desgaste chegue a valores altos. - O desgaste da superfície de folga da ferramenta, não mais permitir a obtenção de tolerâncias apertadas e ou bons acabamentos superficiais. Isto é crítico em operações de acabamento. - O desgaste da ferramenta aumenta muito, fazendo com que a temperatura da aresta de corte ultrapasse a temperatura que a ferramenta pode resistir. - O aumento da força de usinagem, proveniente dos desgastes elevados da ferramenta, interfira no funcionamento do equipamento. Portanto o fim da vida de uma ferramen