RESSALVA Atendendo solicitação do(a) autor(a), o texto completo desta Tese será disponibilizado somente a partir de 01/07/2024 LARISSA RIBAS DE LIMA SOARES Análise do fresamento do aço ABNT 4340 em diferentes durezas utilizando ferramentas de cerâmica experimental (Al2O3+MgO) e de metal duro revestidas (TiAlN+TiN/TiCN+Al2O3) Guaratinguetá - SP 2022 Larissa Ribas de Lima Soares Análise do fresamento do aço ABNT 4340 em diferentes durezas utilizando ferramentas de cerâmica experimental (Al2O3+MgO) e de metal duro revestidas (TiAlN+TiN/TiCN+Al2O3) Trabalho de Pós-Graduação apresentado ao Conselho de Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Doutora em Engenharia Mecânica. Orientador (a): Prof. Dr. Manoel Cléber de Sampaio Alves Guaratinguetá - SP 2022 DADOS CURRICULARES LARISSA RIBAS DE LIMA SOARES NASCIMENTO 17.03.1992 – Itapeva / SP FILIAÇÃO João Calil Rodrigues de Lima Loide Rodrigues Ribas de Lima 2008/2009 Curso Técnico Assessoria Empresarial - ETEC Centro Paula Souza” Demétrio de Azevedo Junior” 2010/2014 Curso de Graduação Engenharia Industrial Madeireira, na Faculdade de Engenharia do Campus de Itapeva da Universidade Estadual Paulista. 2015/2017 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Mestrado, na Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. 2017/2022 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 à Deus e à minha família AGRADECIMENTOS Primeiro agradeço a Deus por me permitir chegar até aqui, ele meu deu forças, me ajudou e me guiou. ao meu orientador, Prof. Dr. Manoel Cléber de Sampaio Alves por ser exemplar em suas orientações, sempre com empatia, paciência e dedicação. aos meus pais, Loide e Calil, por todo o carinho e incentivo, pelas orações e por cuidarem tão bem do meu filho para eu poder trabalhar na tese. ao meu marido e meu filho, Wildenson e Miguel, por serem a minha base de vida e o motivo pelo qual eu luto por melhorias profissionais. a Sarah pela sua amizade, por ter me ajudado no desenvolvimento dessa pesquisa em diversos momentos, e por ser a minha base em Guaratinguetá. aos meus amigos, Eduardo, Carlino e Bruno pelo tempo disponibilizado para ajudar nessa pesquisa. ao técnico José Manoel Bernardes por ter ajudado durante o processo de usinagem. a empresa Seco Tools e ao Prof. Dr. José Vitor Candido de Souza FEG/UNESP por ter cedido as ferramentas de corte utilizadas nesta pesquisa, Obrigada! FINANCIAMENTOS O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior- Brasil (CAPES) - código de financiamento 001. “O conhecimento nos aproxima de Deus. O que nos afasta dele é não saber usá-lo.” Icaro Felippe RESUMO Para uma ferramenta de corte ter um bom desempenho é necessário conciliar a qualidade superficial da peça usinada com o desgaste da ferramenta. Esse desempenho pode ser afetado por pequenas alterações nas condições de usinagem, tais como o avanço e a dureza da peça de trabalho. Por isso, é imprescindível compreender como elas atuam em diferentes situações, para poder determinar as condições ideais de usinagem. Com base nisso, nesta pesquisa foi feito o processo de fresamento frontal a seco do aço ABNT 4340 em diferentes níveis de dureza média (25, 33, 43 e 51 HRC), utilizando três ferramentas de corte, sendo duas de metal duro revestidas (TiAlN+TiN e TiCN+Al2O3) e uma de cerâmica (Al2O3+MgO), com o objetivo de avaliar o desempenho dessas ferramentas mediante a análise da rugosidade (Ra, Rt e Rz), potência, vibração, emissão acústica, desgaste da ferramenta e a forma dos cavacos. Essa ferramenta cerâmica é uma ferramenta experimental desenvolvida pelo grupo de pesquisa em usinagem da FEG/UNESP com potencial para ser utilizada na usinagem de diversos materiais. O processo de usinagem dessa pesquisa foi feito em um Centro de Usinagem CNC, utilizando dois avanços (005 e 0,1 mm/dente) para cada combinação de ferramenta e dureza do material. Como foram quatro níveis de dureza, três tipos de ferramenta, dois níveis de avanço e duas repetições por condição, totalizaram 48 ensaios, no quais, durante esses processos foram captados dados de potência, emissão acústica e vibração, para verificar se havia correlação entre essas variáveis e a rugosidade da peça, ou então com o desgaste das ferramentas. Após a análise dos dados foi possível concluir que as duas ferramentas de metal duro apresentaram melhor desempenho em relação a rugosidade conforme aumentou a dureza da peça de trabalho. Ao contrário da ferramenta experimental de cerâmica, em que o melhor desempenho foi obtido nos níveis de dureza de 25 e 33 HRC, no avanço de 0,05 mm/dente. Nessas condições a Ra variou entre 0,53 e 0,98 µm. PALAVRAS-CHAVE: Usinagem. Ferramentas de Corte. Desgaste. Rugosidade. ABSTRACT For a cutting tool to have a good performance, it is necessary to reconcile the surface quality of the machined part with the tool wear. This performance can be affected by small changes in machining conditions such as feed and workpiece hardness. Therefore, it is essential to understand how they work in different situations, to determine the ideal machining conditions. Based on this, in this research, a dry face milling process of ABNT 4340 steel was carried out at different levels of medium hardness (25, 33, 43 and 51 HRC), using three cutting tools, two of which were carbide coated (TiAlN+ TiN and TiCN+Al2O3) and one of Ceramics (Al2O3+MgO), with the objective of evaluating the performance of these tools by analyzing the roughness (Ra, Rt and Rz), power, vibration, acoustic emission, tool wear and the chip shape. This ceramic tool is an experimental tool developed by the machining research group from FEG/UNESP with the potential to be used in the machining of various materials. The machining process of this research was done in a CNC Machining Center, using two feeds (0,05 and 0,1 mm/tooth) for each combination of tool and material hardness. As there were four hardness levels, three types of tool, two feed levels and two repetitions per condition, a total of 48 tests were performed, in which, during these processes, data on power, acoustic emission and vibration were captured, to verify if there was a correlation between these variables and the roughness of the part, or with tool wear. After analyzing the data, it was possible to conclude that the two carbide tools showed better performance in relation to roughness as the hardness of the workpiece increased. Unlike the experimental ceramic tool, in which the best performance was obtained at hardness levels of 25 and 33 HRC, at 0,05 mm/tooth feed. Under these conditions, Ra varied between 0,53 and 0,98 µm. KEYWORDS: Machining. Cutting tools. Wear. Roughness. SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 12 2. OBJETIVOS ........................................................................................................... 15 2.1 Objetivo Geral .......................................................................................................... 15 2.2 Objetivos Específicos ............................................................................................... 15 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................. 16 3.1 Aços ......................................................................................................................... 16 3.1.1 Aço ABNT 4340 ...................................................................................................... 16 3.1.2 Tratamento Térmico .............................................................................................. 18 3.2 Processo de usinagem .............................................................................................. 19 3.2.1 Fresamento ............................................................................................................. 20 3.2.2 Material para ferramenta de corte ............................................................................ 21 3.2.2.1 Metal Duro ............................................................................................................... 21 3.2.2.2 Ferramentas de Cerâmica ......................................................................................... 24 3.2.3 Desgaste da Ferramenta de Corte ........................................................................ 25 3.2.4 Monitoramento da Usinagem ................................................................................ 28 3.2.4.1 Potência .................................................................................................................... 29 3.2.4.2 Emissão Acústica ..................................................................................................... 30 3.2.4.3 Vibração ................................................................................................................... 31 3.3 Integridade Superficial ............................................................................................. 32 3.3.1 Rugosidade .............................................................................................................. 33 3.3.1.1 Sistema de Medição da Rugosidade: Linha Média .................................................. 34 3.3.1.2 Rugosidade média em função dos processos de usinagem e das aplicações. .......... 35 3.4 Formação do cavaco................................................................................................. 37 3.5 Pesquisas Relacionadas ............................................................................................ 40 4. MATERIAL E MÉTODOS .................................................................................. 42 4.1 Preparação dos corpos de prova ............................................................................... 42 4.2 Tratamento térmico .................................................................................................. 43 4.3 Processo de usinagem .............................................................................................. 44 4.3.1 Fresas ...................................................................................................................... 46 4.3.2 Ensaio de Vida das Ferramentas .......................................................................... 48 4.4 Sistema Aquisição de dados ..................................................................................... 49 4.4.1 Potência de corte .................................................................................................... 50 4.4.2 Emissão acústica ..................................................................................................... 51 4.4.3 Vibração .................................................................................................................. 52 4.5 Desgaste da ferramenta ............................................................................................ 52 4.6 Integridade Superficial ............................................................................................. 53 4.7 Tipos e formas dos cavacos ..................................................................................... 54 4.8 Delineamento Experimental e Tratamento Estatístico dos Dados ........................... 55 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................... 57 5.1 Ferramenta experimental de cerâmica de Al2O3+MgO .......................................... 57 5.1.1 Potência Consumida. ............................................................................................. 57 5.1.2 Vibração .................................................................................................................. 59 5.1.3 Emissão Acústica .................................................................................................... 61 5.1.4 Rugosidade Ra ........................................................................................................ 63 5.1.5 Altura Total do Perfil (Rt) .................................................................................... 64 5.1.6 Altura Máxima do Perfil (Rz) ............................................................................... 66 5.1.7 Desgaste da Ferramenta ........................................................................................ 68 5.1.8 Tipos e Formas dos Cavacos ................................................................................. 69 5.1.9 Vida das Ferramentas ............................................................................................ 71 5.2 Ferramenta de metal duro revestida de TiCN+Al2O3 ............................................. 82 5.2.1 Potência Consumida. ............................................................................................. 82 5.2.2 Vibração .................................................................................................................. 84 5.2.3 Emissão Acústica .................................................................................................... 86 5.2.4 Rugosidade Ra ........................................................................................................ 87 5.2.5 Altura Total do Perfil (Rt) .................................................................................... 89 5.2.6 Altura Máxima do Perfil (Rz) ............................................................................... 91 5.2.7 Desgaste da Ferramenta ........................................................................................ 92 5.2.8 Tipos e Formas dos Cavacos ................................................................................. 94 5.2.9 Vida das Ferramentas ............................................................................................ 96 5.3 Ferramenta de metal duro revestida de TiAlN+TiN ................................................ 98 5.3.1 Potência Consumida. ............................................................................................. 98 5.3.2 Vibração ................................................................................................................ 100 5.3.3 Emissão Acústica .................................................................................................. 102 5.3.4 Rugosidade Ra ...................................................................................................... 103 5.3.5 Altura Total do Perfil (Rt) .................................................................................. 105 5.3.6 Altura Máxima do Perfil (Rz) ............................................................................. 107 5.3.7 Desgaste da Ferramenta ...................................................................................... 108 5.3.8 Tipos e Formas dos Cavacos ............................................................................... 110 5.3.9 Vida das Ferramentas .......................................................................................... 112 5.4 Comparação das rugosidades ................................................................................. 114 5.4.1 Rugosidade Ra ...................................................................................................... 114 5.4.2 Altura Total do Perfil (Rt) .................................................................................. 116 5.4.3 Altura Máxima do Perfil (Rz) ............................................................................. 117 5.5 Correlação das variáveis sobre o Ra das peças. ..................................................... 118 5.6 Discussão Geral ..................................................................................................... 119 6. CONCLUSÃO ...................................................................................................... 123 REFERÊNCIAS ................................................................................................... 125 APÊNDICE A – POTÊNCIA CONSUMIDA .................................................... 132 APÊNDICE B – VIBRAÇÃO ............................................................................. 134 APÊNDICE C – EMISSÃO ACÚSTICA .......................................................... 136 APÊNDICE D – RUGOSIDADE Ra .................................................................. 138 APÊNDICE E – ALTURA TOTAL DO PERFIL ............................................ 142 APÊNDICE F – ALTURA MÁXIMA DO PERFIL ......................................... 146 12 1. INTRODUÇÃO O processo de usinagem é de suma importância para a indústria, por meio dele é possível obter peças de alta complexidade e qualidade para diversos setores. Devido a essa importância, constantes pesquisas são desenvolvidas com o intuito de aprimorar os processos. Essas pesquisas buscam analisar formas de aumentar a vida da ferramenta, diminuir o tempo de usinagem, ou então, analisar o desempenho de diversas ferramentas e de novos métodos de usinagem (SOUSA et al., 2021). No método convencional é utilizado fluído lubrificante para reduzir a temperatura na área de corte, visto que, durante a usinagem quase toda a energia gasta é convertida em calor, e as altas temperaturas nessa área acarretam na redução da vida da ferramenta e da qualidade do acabamento superficial (BHIRUD; GAWANDE, 2017). Porém, esses fluídos causam impactos ambientais e à saúde, além disso, eles representam custos de produção para a aquisição e armazenamento (REDDY; RAO, 2005; BHIRUD; GAWANDE, 2017). Esses custos variam de 7,5 à 17% (BRAGA et al., 2002) e representam duas vezes mais do que os custos relacionados às ferramentas de corte (VIKTOR, 2006). Portanto, por questões econômicas e ambientais, a usinagem a seco se torna uma alternativa vantajosa desde que não promova a redução da qualidade superficial da peça e da vida da ferramenta. Para isso, é preciso utilizar ferramentas de corte e condições de usinagem adequadas (BRAGA et al., 2002). Uma das formas para reduzir o desgaste e aumentar a vida da ferramenta, está na aplicação de revestimentos duros na superfície deste material. Isso contribui para melhorar a durabilidade da ferramenta em ambientes agressivos porque o revestimento age como barreira térmica e aumenta a resistência ao desgaste (SANTOS; SALES, 2007; DENG et al., 2012; BOBZIN et al., 2014; KRAJINOVIĆ et al., 2016;). Os revestimentos à base de titânio, como o grupo (Ti, Al) N, são exemplos de revestimentos que combinam propriedades mecânicas excelentes com resistência à corrosão e à oxidação na zona de corte em elevadas temperaturas, mesmo que a usinagem seja a seco (BOBZIN et al., 2014). O revestimento de TiAlN (Nitreto de Titânio e Alumínio) apresenta além dessa combinação, baixa condutividade térmica, o que permite velocidades de corte mais altas (DENG et al., 2012). Devido a essas propriedades, este tipo de revestimento está entre os mais utilizados atualmente na usinagem, o que o torna atraente para as pesquisas (SOUSA et al., 2021). 13 Há também revestimentos cerâmicos como o TiCN (carbonitreto de titânio) que vem ganhando atenção por sua compatibilidade com diversos substratos metálicos. Estes revestimentos apresentam alta resistência à corrosão, grande estabilidade térmica, resistência ao desgaste, alta dureza, resistência à formação de aresta postiça de corte, tenacidade, boa adesão, resistência ao lascamento e é apropriado no caso de usinagens a seco (SANTOS; SALES, 2007; MACHADO et al., 2009; DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2013; HERNÁNDEZ-SIERRA et al., 2018; HOIER et al., 2019). O Al2O3 (óxido de alumínio) é outro revestimento muito utilizado nas ferramentas de metal duro devido às suas características como boa resistência à oxidação, dureza a quente e estabilidade química. Outro fator importante em relação a esse revestimento está na sua capacidade de reduzir a condutividade térmica conforme aumenta a temperatura e isto acontece mesmo quando ele é utilizado em sistema de multicamada. Com esta redução na condutividade, o calor se dissipa para o cavaco e não para a ferramenta. Devido a esta importante característica, em um sistema de multicamada o Al2O3 normalmente é utilizado como camada superior, enquanto que o TiCN é depositado como camada de ligação por causa da sua forte adesão (FAHAD; MATIVENGA; SHEIKH, 2012). As ferramentas cerâmicas à base de Al2O3 também são adequadas para o corte a seco (LI; DENG; WU, 2010). Elas apresentam alta dureza a quente, alta resistência ao desgaste, boa estabilidade química e térmica, boa resistência a fluência, baixa condutividade térmica, entre outras características (MACHADO et al., 2009; LI; DENG; WU, 2010; ZHAO; YUAN; ZHOU, 2010). Entretanto, essas ferramentas têm menor resistência ao choque térmico e menor tenacidade a fratura, o que as deixam mais suscetíveis a lascamentos excessivos e fraturas na usinagem de aços endurecidos, principalmente se for em processos de usinagem com corte interrompido (ZHAO; YUAN; ZHOU, 2010). Outro fator que interfere no processo de usinagem além da ferramenta de corte e do revestimento, é a dureza do material de trabalho. Este fator influencia a usinabilidade da peça, por exemplo, no caso dos aços, aqueles que apresentam dureza superior a 45 HRC (considerados como aços endurecidos) são difíceis de usinar, pois apresentam altas temperaturas e tensões de ruptura na zona de corte. Por isso, na usinagem de peças com maior dureza são exigidas melhores características mecânicas, químicas e térmicas da ferramenta (POULACHON; MOISAN, 1999; MACHADO et al., 2009; DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2013). 14 Com base no exposto, nessa pesquisa foi realizado o processo de fresamento frontal a seco do aço ABNT 4340 em diferentes níveis de dureza, utilizando três ferramentas de corte diferentes, sendo duas de metal duro (uma revestida com TiAlN-TiN e a outra com TiCN- Al2O3) e uma ferramenta experimental de Cerâmica Al2O3 – MgO (óxido de alumínio e óxido de magnésio), com o intuito de analisar a qualidade superficial das peças usinadas, o desgaste da ferramenta, bem como, acompanhar e captar durante o processo os dados de potência, vibração e emissão acústica para correlacionar esses dados com a rugosidade e com o desgaste das ferramentas. E assim, contribuir com informações importantes sobre o desempenho dessa ferramenta experimental e das demais ferramentas no fresamento do aço em diferentes durezas. 123 6. CONCLUSÃO Após as análises dos resultados obtidos nesse processo de usinagem, utilizando três ferramentas diferentes para estudo, sendo duas de metal duro, uma revestida com TiAlN+TiN e a outra com TiCN-Al2O3, e uma ferramenta experimental de Cerâmica Al2O3+MgO, foi possível concluir que: • As duas ferramentas de metal duro apresentaram melhor desempenho em rela- ção a rugosidade, nas peças com maiores níveis de dureza. Enquanto que, a ferramenta cerâ- mica obteve melhor desempenho nos níveis de dureza de 25 e 33 HRC, no avanço de 0,05 mm/dente. • Para as ferramentas cerâmicas e para as ferramentas revestidas de TiCN-Al2O3, os valores de vibração foram altos na usinagem da peça com 51 HRC. Enquanto que, para as ferramentas revestidas com TiAlN+TiN, os fatores dureza e avanço não interferiram nos re- sultados. • Os maiores valores de emissão acústica, para as ferramentas cerâmicas, foram captados na usinagem da peça com 51 HRC, em ambos os avanços utilizados. No caso das ferramentas revestidas de TiCN-Al2O3, os maiores valores foram captados na usinagem da peça com 51 HRC, no avanço de 0,1 mm/dente. E para a ferramenta revestida com Ti- AlN+TiN, os fatores não interferiram nos resultados, assim como ocorreu para os dados de vibração. • Com relação ao desgaste, as arestas de corte das ferramentas cerâmicas quebra- ram na usinagem das peças com 43 e 51 HRC. O mesmo ocorreu para as ferramentas de metal duro na usinagem da peça com maior nível de dureza. • Para as três ferramentas foi observado que os cavacos formados durante a usina- gem, ficaram mais cisalhados conforme o incremento da dureza da peça. Os cavacos das pe- ças com 25 e 33 HRC são praticamente contínuos. E a partir de 43 HRC já é possível visuali- zar as lamelas deles. • No geral, na condição mais severa de usinagem (dureza de 51 HRC com o avan- ço de 0,1 mm/dente), as arestas de corte quebraram, a potência consumida foi maior, ocorre- ram maiores vibrações e EA, as lamelas dos cavacos ficaram mais espaçadas e no caso das ferramentas de metal duro, os cavacos ficaram fragmentados. 124 • Na comparação entre as três ferramentas, a ferramenta cerâmica apresentou bons resultados na usinagem da peça com 25 HRC, inclusive nesse nível de dureza não houve dife- rença estatística entre ela e a ferramenta revestida de TiAlN+TiN. Além disso, ela proporcio- nou melhores resultados de Ra do que a ferramenta revestida de TiCN-Al2O3. • No ensaio de vida realizado nas ferramentas cerâmicas, os melhores resultados foram obtidos na usinagem da peça com 25 HRC, ao utilizar o avanço de 0,05 mm/dente. Nessas condições o Ra variou entre 0,45 a 0,62 𝜇𝑚, o desgaste chegou a 0,41 mm e o com- primento e tempo de usinagem foram iguais a 145 metros e 570 segundos, respectivamente. Por fim, considerando as premissas de análise (menor, melhor) para a rugosidade e para o desgaste das ferramentas, elas apresentaram melhores desempenhos nos seguintes níveis de dureza: • Ferramenta Cerâmica: Nos níveis de dureza de 25 e 33 HRC, no avanço de 0,05 mm/dente, com Ra variando entre 0,53 a 0,98 µm. • Ferramenta revestida de TiAlN+TiN: Nos níveis de dureza de 33 e 43 HRC, em ambos os avanços utilizados, com Ra variando entre 0,09 a 0,25 µm. • Ferramenta revestida de TiCN-Al2O3: Nos níveis de dureza de 33 e 43 HRC, em ambos os avanços utilizados, sendo que no primeiro nível de dureza o Ra variou entre 0.17 a 0.91 µm e no segundo nível variou entre 0,13 a 0,34 µm. 125 REFERÊNCIAS AMBHORE, N.; KAMBLE, D.; CHINCHANIKAR, S.; WAYAL, V. Tool condition monitoring system: a review. 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