NILSON RODRIGUES DA SILVA Aplicação de ferramentas cerâmicas experimentais à base de alumina no fresamento do aço ABNT 4340 endurecido. Guaratinguetá - SP 2021 Nilson Rodrigues da Silva Aplicação de ferramentas cerâmicas experimentais à base de alumina no fresamento do aço ABNT 4340 endurecido. Tese apresenta à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Doutor em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr. Marcos Valério Ribeiro Coorientador: Prof. Dr. Jose Vitor C. de Souza. Guaratinguetá - SP 2021 DADOS CURRICULARES NILSON RODRIGUES DA SILVA NASCIMENTO 05.02.1955 – Inhambupe/BA FILIAÇÃO Genesio Rodrigues da Silva Bernardete Batista Rodrigues da Silva 1983/1985 Curso de Graduação Licenciatura em Física UNICEB – Universidade Santa Cecília dos Bandeirantes – Santos / SP. 1986/1991 Curso de Graduação em Engenharia Industrial Mecânica Engenheiro Industrial Mecânico UNICEB – Universidade Santa Cecília dos Bandeirantes – Santos / SP. 2002/2004 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Mestre em Engenharia Mecânica UNITAU – Universidade de Taubaté – Taubaté / SP. 2016/Atual Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Doutor em Engenharia Mecânica UNESP – Universidade Estadual Paulista – Campus Guaratinguetá /SP. dedico este trabalho aos meus falecidos pais, meus irmãos e irmãs, aos meus filhos Henrique, Gustavo e Marina e em especial a minha esposa Neusa, companheira e guerreira, que sempre com muita paciência, dá o apoio e incentivo para prosseguir na concretização dos sonhos. AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus, fonte da vida e da graça. Agradeço a minha vida, minha família e meus amigos; ao meu orientador, Prof. Dr. Marcos Valério Ribeiro um grande incentivador, sempre disponível e paciente. Sem a sua orientação, dedicação e auxílio, o estudo aqui apresentado seria praticamente impossível; ao Prof. Dr. Manoel Cléber de Sampaio Alves, que ajudou com maestria e profissionalismo na realização dos experimentos no centro de usinagem; ao Prof. Dr. Jose Vitor Candido de Souza, pelo desenvolvimento e disponibilização dos insertos cerâmicos, além de ter compartilhado o seu rico conhecimento que engrandeceu este trabalho. ao técnico José Manoel Bernardes, pela contribuição na realização dos procedimentos de ensaios em usinagem e programação do centro de fresamento. aos meus amigos que ajudaram no desenvolvimento deste trabalho com discussões, auxílio e sugestões, Marcelo Antunes de Paula e Taise Azevedo de Sousa, aos funcionários da Faculdade de Engenharia do Câmpus de Guaratinguetá pela dedicação e alegria no atendimento. O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior- Brasil (CAPES) - código de financiamento 001. “A lei da mente é implacável. O que você pensa, você cria. O que você sente, você atrai. O que você acredita, torna-se realidade”. Buddha. RESUMO As ferramentas cerâmicas destacam-se como uma boa solução para redução de custos nos processos de usinagem e são usadas onde se requer alta dureza e resistência ao desgaste. O objetivo deste trabalho foi avaliar o desempenho de dois tipos de ferramentas de corte em material cerâmico a base de óxido de alumínio com óxido de magnésio (Al2O3 + MgO) e a base de óxido de alumínio com óxido de zircônio (Al2O3 + ZrO2), para o fresamento do aço ABNT 4340 endurecido. Utilizou-se como parâmetros (dados de entrada): três velocidades de corte (Vc) 200; 300 e 400 m/min, três avanços (f) 0,05; 0,10 e 0,15 mm/rev.) além de duas profundidades (ap) 0,10 e 0,20 mm. Os fatores de respostas (dados de saída) foram a potência consumida, a emissão acústica, a vibração, as rugosidades (Ra) e (Rt) da peça usinada, o desgaste (VB) e ensaios de vida dos insertos de cerâmica. A potência consumida é maior com o aumento da velocidade, do avanço e da profundidade de usinagem. O valor de potência de para o inserto de Al2O3 + MgO (241,4 W) foi 13,5 % inferior à do fresamento obtido com o inserto de Al2O3 + ZrO2 (279,2 W). Os valores de emissão acústica diminuíram com o aumento da velocidade de corte (0,166 V; 0,151 V e 0,145 V para 200 m/min; 300 m/min e 400 m/min respectivamente). Verificou-se que aumentando a profundidade ocorre o aumento dos valores de emissão acústica, obteve-se um valor de 0,148 V para 0,1mm e de 0,160 V para 0,20 mm de profundidade. Com a aumento da velocidade, do avanço e da profundidade de corte, os valores de vibração diminuíram obtendo-se: 4,860 mm/s para a velocidade de 200 m/min, 4,462 para 300 m/min. e 3,920 para 400 m/min. O valor de vibração com o inserto de Al2O3 + ZrO2 foi de 3,780 mm/s e com o inserto de Al2O3 + MgO foi mais elevado (5,047 mm/s). O valor de rugosidade (Ra) é maior com o aumento do avanço e da profundidade de corte. Com o inserto de Al2O3 + MgO (0,753 µm) a rugosidade (Ra) foi 21,3 % inferior a obtida com o inserto de Al2O3 + ZrO2 (0,957 µm). Os valores médios da rugosidade (Rt) aumentaram com a aumento das velocidades, do avanço e da profundidade de corte. A rugosidade (Rt) com o inserto de Al2O3 + MgO (5,57 µm) foi 19.0 % inferior a que foi obtida com o inserto de Al2O3 + ZrO2 (6,88 µm). Os resultados encontrados no fresamento sem retificação do aço ABNT 4340 endurecido, indicam que as ferramentas de corte de cerâmica tanto as de alumina com adição de oxido de magnésio (Al2O3 + MgO ) quanto com adição de óxido de zircônio (Al2O3 + ZrO2 ), podem ser aplicadas pois a qualidade da superfície obtida com as duas ferramentas foram compatíveis com as normalmente esperadas para acabamento nas operações de fresamento e retificação. PALAVRAS-CHAVE: Usinagem. Rugosidade. Monitoramento. Tratamento Térmico. Desgaste. ABSTRACT Ceramic tools stand out as a good solution for cost reduction in machining processes and are used where high hardness and wear resistance are required. The study has evaluated the performance of two types of cutting tools in ceramic material: based on aluminum oxide and magnesium oxide (Al2O3 + MgO) and based on aluminum oxide and zirconium oxide (Al2O3 + ZrO2), for milling machining of hardened ABNT 4340 steel. The following cutting parameters (input data) has been used: three cutting speeds (Vc) 200; 300; 400 m/min, three feeds (f) 0.05; 0.10; 0.15 (mm/rev) and two cutting depths (ap) 0.10 and 0.20 mm. The response factors (output data) have been power consumed, acoustic emission, vibration, roughness (Ra) and (Rt) of the machined part, the wear (VB) and tool life tests of ceramic inserts. The power consumed is greater with increasing cutting speed, feed and depth. The power value for the Al2O3 + MgO insert (241.4 W) has been 13.5 % lower than for the milling obtained with Al2O3 + ZrO2 insert (279.2 W). Acoustic emission values have decreased with the increase in the cutting speed (0.166 V; 0.151V and 0.145 V for 200 m/min; 300 m/min and 400 m/min respectively). It has been found that increasing the depth of cut increases the acoustic emission values, a value of 0.148 V to 0.1 mm and 0.160 V to 0.20 mm depth has been obtained. With the increase in cutting speed, feed and depth, the vibration values have decreased, obtaining: 4.859 mm/s for the speed of 200 m/min, 4.462 for 300 m/min. and 3.920 for 400 m/min. Vibration value with Al2O3 + ZrO2 insert has been 3.780 mm/s and with the Al2O3 + MgO insert it has been higher (5.047 mm/s). Roughness value (Ra) is greater with increasing feed and depth of cut. With Al2O3 + MgO insert (0.753 µm), the roughness (Ra) was 21.3% lower than that obtained with the Al2O3 + ZrO2 insert (0.957 µm). Average values of the roughness (Rt) have increased with the increase of the cutting speeds, the feed and the depth of cut. The roughness (Rt) with the Al2O3 + MgO insert (5.57 µm) was 19.0 % lower than that obtained with the Al2O3 + ZrO2 insert (6.88 µm). Results found in machining by dry milling and without grinding the hardened ABNT 4340 steel, indicate that the ceramic cutting tools both those of alumina with addition of magnesium oxide (Al2O3 + MgO) and with addition of zirconium oxide (Al2O3 + ZrO2), can be applied, since the surface finish obtained with the two tools have been compatible with the one expected. KEYWORDS: Machining. Roughness. Monitoring. Heat treatment. Wear. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Classificação dos metais duros segundo a norma ISO 513........................................27 Figura 2 – Comparação entre as propriedades da cerâmica, cermet e metal duro.....................31 Figura 3 - Sequência de formas de insertos que apresentam o ângulo de ponta, r, crescente, com consequente aumento da resistência mecânica...................................................................33 Figura 4 - Relações típicas de dureza a quente para os materiais de ferramentas.....................36 Figura 5 - Aumento das velocidades de corte conseguido no último século.............................37 Figura 6 – Metodologia para selecionar uma ferramenta de corte............................................38 Quadro 1 – Comparação entre o fresamento e outros processos de usinagem no corte de superfícies planas não de revolução..........................................................................................39 Figura 7 – Rugosidade (Ra) em função do processo de fabricação utilizado............................ 42 Figura 8 – Rugosidade total (Rt) em função do processo de fabricação utilizado.....................43 Figura 9 – Classificação da integridade superficial de peças usinadas......................................44 Quadro 2: Comprimentos de amostragem e de avaliação em função da faixa de rugosidade de uma superfície conforme a norma NBR ISO 4288 (2008)........................................................................................................................................46 Quadro 3 – Comprimentos de amostragem e de avaliação em função da faixa de rugosidade de perfis periódicos e RSm de perfis periódicos e não periódicos de uma superfície, conforme a norma ISO4288(2008) ..............................................................................................................46 Quadro 4 – Composição química do aço ABNT 4340................................................................48 Figura 10 – Forças de usinagem e seus componentes para o processo de torneamento e fresamento................................................................................................................................ 50 Figura 11 – Fluxograma das etapas de trabalho .........................................................................66 Figura 12– Centro de Usinagem................................................................................................67 Figura 13 – Suporte de fixação da ferramenta............................................................................67 Figura 14 – Suporte de fixação da ferramenta – montado no centro de usinagem para fresamento................................................................................................................................ 68 Figura 15 – Tela do programa supervisório para captação de sinais durante os ensaios de fresamento.................................................................................................................................69 Figura 16– Sensor de efeito Hall marca LEM modelo AT100 B10...........................................69 Figura 17 – Sensor para captação de emissão acústica da marca PHYSICAL ACOUSTICS CORPORATION.......................................................................................................................71 Figura 18 – Módulo de vibração modelo TV100.......................................................................71 Figura 19 – Rugosímetro portátil da marca Mahr modelo (a) MarSurf M300; (b) MarSurf RD 18...............................................................................................................................................72 Figura 20 – ângulo de engajamento para cálculo do Lcf ...........................................................73 Figura 21 – Microscópio óptico de medição Mahr MM200 (16.a) e Microscópio óptico Zeiss modelo Stemi 2000 (16.b) ........................................................................................................74 Quadro 5 – Composição do aço ABNT 4340 utilizado..............................................................74 Figura 22 – Corpo de prova na forma bruta e na forma usinada e temperado e revenido..........75 Figura 23 – Corpo de prova para usinagem ..............................................................................75 Figura 24 – Inserto de cerâmica de Al2O3 + MgO ...................................................................76 Figura 25 – Procedimento experimental com os fatores de entrada e parâmetros de saída.........77 Figura 26– Fixação do corpo de prova e percurso da ferramenta (26.a) e fixação e posição dos sensores (26.b)...........................................................................................................................78 Figura 27 – Medição da rugosidade Ra e Rt na região usinada.................................................79 Figura 28 – Desgaste dos insertos após fresamento..................................................................80 Figura 29 – Exemplo de gráfico de potência de um ensaio de fresamento para identificação da potência em vazio e do momento de efetiva remoção de material............................................82 Figura 30 – Exemplo dos graficos criados com o software MATLAB® com o programa de tratamento de dados...................................................................................................................83 Figura 31 – Ensaio de vida da ferramenta..................................................................................85 Figura 32 – Medição do desgaste da ferramenta com microscópio óptico.................................85 Quadro 6 – Parâmetros de fresamento para o ensaio de vida......................................................86 Figura 33 – Efeitos principais dos fatores na média das médias de potência de corte (ANOM)....................................................................................................................................92 Figura 34 – Efeitos principais dos fatores na média das médias de emissão acústica (ANOM)....................................................................................................................................93 Figura 35 – Efeitos principais dos fatores na média das médias da vibração (ANOM)....................................................................................................................................94 Figura 36 – Efeitos principais dos fatores na média das médias da rugosidade (Ra).................96 Figura 37 – Efeitos principais dos fatores na média das médias da rugosidade (Rt)..................97 Figura 38 – Rugosidade (Ra) em função dos insertos utilizados..............................................97 Figura 39 – Rugosidade (Ra) em função das velocidades de corte...........................................98 Figura 40 – Efeitos principais dos fatores na média das médias para o desgaste VB/lc.............99 Figura 41 – Ferramentas com menores desgastes ou avarias ...................................................100 Figura 42 – Ferramentas com maiores desgastes ou avarias ...................................................100 Figura 43 – Desgaste das ferramentas no ensaio de vida .........................................................102 Figura 44 – Medição do desgaste da ferramenta com microscópio óptico...............................102 Figura 45 – Distribuição da variáveis de resposta por tipo de ferramenta................................105 Figura 46 – Rugosidades da superfície (Ra e Rt) e desgaste VB/lc por tipo de ferramenta....106 Figura 47 – Correlação entre as variáveis de saída e análise do componentes principais para o inserto Al2O3 + MgO...............................................................................................................107 Figura 48 – Análise multivariada com os parâmetros de corte e variáveis de resposta para o inserto Al2O3 + MgO...............................................................................................................107 Figura 49 – Correlação entre as variáveis de saída e análise do componentes principais para o inserto Al2O3 + ZrO2 ...............................................................................................................108 Figura 50 – Análise multivariada com os parâmetros de corte e variáveis de resposta para o inserto Al2O3 + ZrO2 ..............................................................................................................108 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Combinações e fatores testados em cada percurso da ferramenta........................... 78 Tabela 2 – Resultados para as variáveis de resposta: potência consumida, vibração, emissão, rugosidades Ra, Rt, desgaste (VB), comprimento do corte e desgaste da ferramenta em relação ao comprimento de corte – 1ª. Serie - Sentido: Ida (esquerda para a direita)....................................................................................................................87 Tabela 3 – Resultados para as variáveis de resposta: potência consumida, vibração emissão, rugosidades Ra, Rt, desgaste (VB), comprimento do corte e desgaste da ferramenta em relação ao comprimento de corte – 2ª. Serie - Sentido: Ida (esquerda para a direita).......................................................................................................................87 Tabela 4 – Resultados para as variáveis de resposta: potência consumida, vibração emissão, rugosidades Ra, Rt, desgaste (VB), comprimento do corte e desgaste da ferramenta em relação ao comprimento de corte – 1ª. Serie - Sentido: Volta (direita para a esquerda)...................................................................................................................88 Tabela 5 – Resultados para as variáveis de resposta: potência consumida, vibração emissão, rugosidades Ra, Rt, desgaste (VB), comprimento do corte e desgaste da ferramenta em relação ao comprimento de corte – 2ª. Serie - Sentido: Volta (direita para a esquerda)...................................................................................................................88 Tabela 6 – Resultados para as variáveis de resposta: potência consumida, vibração emissão, rugosidades Ra, Rt, desgaste (VB), comprimento do corte e desgaste da ferramenta em relação ao comprimento de corte – 1ª. Serie - Sentido: Ida (esquerda para a direita).......................................................................................................................89 Tabela 7 – Resultados para as variáveis de resposta: potência consumida, vibração emissão, rugosidades Ra, Rt, desgaste (VB), comprimento do corte e desgaste da ferramenta em relação ao comprimento de corte – 2ª. Serie - Sentido: Ida (esquerda para a direita).......................................................................................................................90 Tabela 8– Resultados para as variáveis de resposta: potência consumida, vibração emissão, rugosidades Ra, Rt, desgaste (VB), comprimento do corte e desgaste da ferramenta em relação ao comprimento de corte – 1ª. Serie - Sentido: Volta (direita para a esquerda)...................................................................................................................90 Tabela 9 – Resultados para as variáveis de resposta: potência consumida, vibração emissão, rugosidades Ra, Rt, desgaste (VB), comprimento do corte e desgaste da ferramenta em relação ao comprimento de corte – 2ª. Serie - Sentido: Volta (direita para a esquerda)...................................................................................................................91 Tabela 10 – Ensaios de vida das ferramentas, vc = 400m/min, f = 0,05 mm/rev, ap = 0,10 mm..........................................................................................................................101 Tabela 11 – Melhor condição de fresamento............................................................................104 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ISO Organization for Standardization (Organização Internacional de Normalização). NBR Norma Brasileira Registrada LISTA DE SÍMBOLOS fc avanço de corte [mm] φ ângulo da direção do avanço vc velocidade de corte [m/min] d diâmetro da ferramenta [mm] n rotação da ferramenta [rpm] 𝑓𝑧 avanço [mm/volta] vf velocidade de avanço [mm/min] Ra desvio aritmético médio do perfil avaliado Rt altura total do perfil fz avanço por dente R raio da fresa Fu força de usinagem [N] Fc força de corte [N] Ff força de avanço[N] Fp forca passiva ou força de profundidade [N] FTR força ativa [N] Fn força de compressão [N] ks pressão específica de corte [N/mm2] A área da seção de corte [mm2] yt valor instantâneo do deslocamento no instante t; y0 amplitude de deslocamento; 𝜔 frequência angular 𝜃 fase. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................. 15 1.1 OBJETIVO GERAL......................................................................................... ....18 1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS......................................................................... ......18 2 REVISÃO DA LITERATURA ........................................................................ .20 2.1 USINAGEM DOS METAIS ................................................................................. 20 2.1.1 Processo de usinagem ......................................................................................... 20 2.1.2 Ferramentas de usinagem...................................................................................22 2.1.3 Materiais para ferramentas de corte ................................................................23 2.1.3.1 Aços rápidos ....................................................................................................... .24 2.1.3.2 Aços rápidos com cobertura ................................................................................ 25 2.1.3.3 Metal duro ............................................................................................................ 26 2.1.3.4 Metal duro com cobertura ..................................................................................... 28 2.1.3.5 Material cerâmico ................................................................................................. 29 2.1.3.6 Materiais ultraduros para ferramentas .................................................................. 34 2.1.3.7 Metodologia para selecionar a ferramenta de corte...............................................35 2.2 FRESAMENTO .................................................................................................... 38 2.3 QUALIDADE DA SUPERFÍCIE E RUGOSIDADE ... ...................................... 41 2.4 AÇO ABNT 4340 ENDURECIDO.......................................................................47 2.5 MONITORAMENTO DO PROCESSO DE USINAGEM .................................. 48 2.5.1 Potência ................................................................................................................ 49 2.5.2 Emissão acústica ................................................................................................. 53 2.5.3 Vibração ............................................................................................................... 54 2.5.4 Projeto e análise de experimentos ..................................................................... 55 2.6 ESTUDOS SOBRE USINAGEM DE AÇOS ENDURECIDOS COM FERRAMENTAS DE CERAMICA E AÇO ABNT 4340 ENDURECIDO ......... 58 3 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................. 66 3.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS ...................................................................... 66 3.1.1 Centro de usinagem ............................................................................................ 66 3.1.2 Sistema de aquisição de sinais ........................................................................... 68 3.1.3 Medição da rugosidade da peça usinada .......................................................... 72 3.1.4 Medições de desgaste dos insertos e captura de imagens ................................ 72 3.1.5 Preparação do corpo de prova ........................................................................... 74 3.1.6 Materiais dos insertos cerâmicos ....................................................................... 76 3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................................................ 77 3.2.1 Medição da rugosidade ...................................................................................... 79 3.2.2 Imagens e medidas de desgaste dos insertos .................................................... 80 3.2.3 Tratamento dos dados ........................................................................................ 80 3.2.4 Ensaio de vida das ferramentas ......................................................................... 84 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................ 87 4.1 RESULTADOS OBTIDOS COM O INSERTO DE Al2O3 + MgO ...................... 87 4.2 RESULTADOS OBTIDOS COM O INSERTO Al2O3 + ZrO2 ............................ 89 4.3 EFEITOS PRINCIPAIS DAS COMBINAÇÕES TESTADAS COM OS INSERTOS DE Al2O3 + MgO E Al2O3 + ZrO2 ..................................................... 91 4.3.1 Potência de Usinagem ........................................................................................ 91 4.3.2 Emissão Acústica ................................................................................................. 93 4.3.3 Vibração .............................................................................................................. 94 4.3.4 Qualidade da superfície – rugosidades (Ra e Rt) ............................................ 95 4.3.5 Desgaste da ferramenta em relação ao comprimento de corte (VB/lc) ......... 98 4.3.6 Imagens dos desgastes e avarias das ferramentas Al2O3 + MgO e Al2O3 + ZrO2......................................................................................................................99 4.3.7 Ensaios de vida dos insertos cerâmicos .......................................................... 100 4.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS PARA OS DOIS TIPOS DE INSERTOS.......103 4.4.1 Parâmetros adequados para a condição “menor melhor” ............................103 4.4.2 Distribuição das variáveis de resposta.............................................................104 5 CONCLUSÃO .................................................................................................. 109 6 INDICAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS..........................................111 REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 112 15 INTRODUÇÃO Segundo vários autores e normas sobre o tema, os processos de usinagem são definidos como aqueles em que a remoção de material ocorre através da entrada de uma ferramenta em uma peça para conferir às peças a forma, dimensões e o acabamento superficial necessário, ou a combinação de mais de um deles por meio de geração de cavaco. A ferramenta deve ser constituída de um material de dureza e resistência muito superior àquela do material da peça. A usinagem compreende o processo de desbaste mecânico que visa dar forma a uma peça, normalmente metálica e que compõe a matéria-prima, significa o ato ou efeito de usinar (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008; FERRARESI, 2013). A maior parte dos produtos industrializados em alguma de suas etapas de produção passa por algum processo de usinagem e pode-se considerar que a usinagem é uma técnica muito utilizada para a fabricação de peças em geral, estando presente em vários segmentos industriais para obtenção de furos na indústria metal-mecânica, nos processos de melhoria da qualidade superficial das peças, na fabricação de engrenagens para transmissão de potência, na confecção da maior parte dos componentes da indústria aeroespacial, na fabricação de pinos médico odontológicos e lentes de contatos intraoculares. As operações de usinagem podem ser aplicadas em diversos tipos de materiais além dos materiais metálicos, tais como polímeros, madeiras, cerâmicos e compósitos. A usinagem começou em tempos remotos com processos manuais e tiveram um progresso significativo ao longo dos anos, proporcionado pela otimização de técnicas, desenvolvimento de máquinas-ferramenta mais precisas, com maior potência e versatilidade, a aplicação de novas técnicas de usinagem em que se busca alta produtividade e diminuição do seu custo, bem como a pesquisa e desenvolvimento de novos materiais para fabricação de ferramentas. Existem vários processos de usinagem e estes podem ser identificados como convencionais ou não convencionais. Os convencionais são torneamento, fresamento, furação, aplainamento, mandrilamento, serramento, brochamento, retificação, entre outros. Os não convencionais são aqueles que realizam a remoção de material por processos químicos, térmicos, mecânicos, tais como jato d’água, jato abrasivo, fluxo abrasivo, ultrasom, eletroquímico, feixe de elétrons, laser, plasma, fotoquímico entre outros. O estudo da usinagem baseia-se na mecânica (cinemática, atrito e deformação), na termodinâmica (geração e propagação de calor) e nas propriedades dos materiais (MACHADO et al., 2015). 16 A procura pelas melhores condições de usinagem passa por uma série de considerações a respeito da ferramenta, peça, equipamentos, ambiente, condições de corte e, finalmente, por testes de usinabilidade. O processo de usinagem mais adequado, depende do conhecimento das características do material da peça a ser processada, e da escolha da ferramenta de corte com a geometria e a resistência mecânica que atendam os parâmetros de usinagem necessários. As evoluções tecnológicas tanto das máquinas-ferramenta quanto dos diferentes tipos de materiais a usinar têm contribuído para o surgimento de uma grande diversidade de ferramentas de corte e novos materiais para ferramentas (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). A relevância dos processos de usinagem no meio industrial, proporciona um vasto campo de pesquisas, para atender o mercado que está constantemente desenvolvendo novos produtos e processos inovadores com aplicação de novos materiais e funcionalidades. Dentre os processos utilizados, destaca-se o processo de fresamento, podendo-se dizer que é um dos mais universais e conhecidos para obtenção de peças com dimensões, geometria e superfícies de boa qualidade (LIMA, 2002 e KRATOCHVIL, 2004). Na usinagem dos materiais metálicos, um dos grandes desafios tem sido a usinagem dos materiais endurecidos e/ou pouco convencionais, sendo que uma das opções é a utilização de ferramentas de metal duro classe H (ABNT ISO 513) que é indicado para usinagem de aços e ferros fundidos endurecidos. As ferramentas de materiais cerâmicos tem contribuído para e melhoria dos processos de usinagem deste tipo de material. Define-se aço no estado endurecido como sendo todo aço cuja dureza seja superior a 45 HRC (ELBESTAWI et al., 1996), sendo que no caso do aço essa dureza é obtida geralmente com tratamentos térmicos objetivando obter alterações das características mecânicas dos materiais devido às finalidades pré especificadas. Segundo Souza et al. (2003), o aço ABNT 4340 é denominado aço de alta resistência e foi desenvolvido para estruturas de grande porte, não apresentando aumento de peso nas construções, quando comparado com outros aços de menor resistência. Os aços endurecidos apresentam algumas propriedades como alta dureza, alta abrasividade e baixa ductilidade. Essas propriedades conferem ao aço um comportamento diferenciado durante o processo de usinagem. O cavaco formado durante o processo é um cavaco curto, de seção em forma de “dente de serra” (MATSUMOTO, 1998). O aço ABNT 4340 é um dos aços com a mais alta temperabilidade entre os de construção mecânica, sendo de difícil usinabilidade e soldabilidade apresentando boa forjabilidade. É utilizado na fabricação de componentes muito solicitados e com boas propriedades mecânicas, tais como virabrequins, eixos, engrenagens, engrenagens planetárias, bielas, colunas, mangas e cilindros 17 para aviões, tratores e veículos em geral. O aço ABNT 4340 é utilizado na fabricação de peças que exigem boa combinação de resistência e tenacidade, com valores relativamente uniformes em toda a seção. Essas propriedades são obtidas por beneficiamento por meio de têmpera e revenimento. Porém, na fabricação de peças precisas, após a peça ser temperada, é necessário o desenvolvimento de processos de usinagens com parâmetros mais eficientes e desenvolvimento de ferramentas com uma boa relação de custo-benefício. Estudos para desenvolvimento de ferramentas produzidas de cerâmicas de corte avançadas ainda é incipiente e há muito a ser explorado, embora existam expectativas de ganhos na forma de redução significativa de tempos de usinagem e aumento da eficiência econômica (GARCIA, 2015). A aplicação de materiais cerâmicos para fabricação de ferramentas é em função da sua elevada dureza, resistência a altas temperaturas, alta resistência à formação de cratera e baixa condutividade térmica, apresentando como desvantagem a sua excessiva fragilidade e baixa tenacidade, propriedades estas que podem ser melhoradas em determinados compostos cerâmicos. Graças a estas propriedades as ferramentas cerâmicas destacam-se as como sendo uma solução promissora e um grupo competitivo, principalmente nos processos de usinagem de materiais endurecidos e superligas, para redução dos custos, principalmente nas indústrias aeronáuticas, aeroespaciais, petroquímica, automobilísticas e outras (MACHADO et al., 2015; COELHO E SILVA, 2018). A usinagem de materiais frágeis ou em operações de cortes interrompidos (como no caso de fresamento, por exemplo) requer materiais de ferramentas com suficiente tenacidade para suportar os choques e os impactos inerentes. Como, em geral, dureza e tenacidade são duas propriedades distintas (normalmente alta dureza se associa a baixa tenacidade e vice-versa), o balanço destas propriedades nos materiais de ferramenta de corte se tornou um desafio para os seus fabricantes. Os departamentos de pesquisa de algumas universidades tem contribuído no desenvolvi- mento experimental de ferramentas de corte com materiais de diferentes composições químicas, refinamento de grãos, controle dos processos de fabricação e do tratamento térmico, o que lhes confere um grau de pureza e qualidade compatíveis para conciliar, a alta dureza, resistência ao desgaste com a tenacidade, entre outras propriedades (COELHO E SILVA, 2018). O objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho de dois tipos de ferramentas produzidas em material cerâmico a base do óxido de alumínio escala não industrial, estabelecendo diferen- tes parâmetros de velocidade de corte, avanço, profundidade, que prolonguem a vida da ferra- menta, para fresamento de corpos de prova de aço ABNT 4340 endurecidos pelo tratamento 18 térmico, em condições de acabamento superficial sem retificação, de geometria e custo – bene- fício mais próximas ou superiores àquelas obtidos atualmente. As ferramentas utilizadas possuem dois tipos de dopantes, sendo uma delas à base de óxido de alumínio com óxido de magnésio (Al2O3 + MgO), e a outra à base do óxido de alumínio com óxido de zircônio (Al2O3 + ZrO2), produzidas pelo grupo de pesquisa em Usinagem da Universidade Estadual Paulista (UNESP) em Guaratinguetá. Os parâmetros de saída utilizados para avaliar o desempenho das ferramentas de corte foram rugosidade superficial (Ra e Rt), potência consumida, vibração, emissão acústica e desgaste (VB) de aresta de corte. Para atingir os resultados almejados, informações que melhorem o desempenho de usinagem com o uso de ferramentas cerâmicas para fresamento de materiais de difícil usinagem (aços endurecidos) devem ser oferecidas. Assim sendo, estabelece-se como meta prolongar a vida de ferramentas à base de óxido de alumínio (Al2O3) utilizadas para fresamento do aço ABNT 4340 endurecido e definiu-se como objetivos geral e específicos: 1.1 OBJETIVO GERAL Avaliar o desempenho de duas ferramentas experimentais de material cerâmico com composições químicas à base de óxido de alumínio com óxido de magnésio (Al2O3 + MgO) e a base de óxido de alumínio com óxido de zircônio (Al2O3 + ZrO2) , analisando e comparando o comportamento destas no fresamento do aço ABNT 4340 endurecido por tratamento térmico. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1.2.1 Analisar a influência dos parâmetros de corte (velocidade, avanço e profundidade de corte) sobre as respostas de potência de usinagem (PU), desgaste da ferramenta, emissão acústica (EA) e desgaste da ferramenta (VB). 1.2.2 Analisar o fresamento do aço ABNT 4340 endurecido com diferentes ferramentas de corte experimental, uma composta por óxido de alumínio com óxido de magnésio (Al2O3 + MgO) e óxido de alumínio com óxido de zircônio, (Al2O3 + ZrO2) , verificando o desempenho e a vida das ferramentas. 19 1.2.3 Verificar a performance e a vida das ferramentas: comparando as respostas para os parâmetros de rugosidade (Ra e Rt), comprimento de corte, potência consumida, vibração e desgastes das ferramentas. 1.2.4 Analisar o desgaste das ferramentas para os ensaios com maiores e menores valores de desgaste das ferramentas, em função do comprimento de corte para cada nova aresta de corte. 20 2 REVISÃO DA LITERATURA Neste capítulo será realizada uma revisão com abordagem sobre o processo de usinagem dos metais, os aspectos relativos ao processo e parâmetros de corte e de monitoramento no fresamento dos materiais, ferramentas de corte com ênfase na aplicação de cerâmicas para fabricação das ferramentas e da qualidade superficial obtida com a usinagem dos metais, . Serão apresentados aspectos sobre as características, propriedades mecânicas e aplicação do aço ABNT 4340 temperado e revenido e ainda abordar-se-á os tópicos de planejamento de experimentos. 2.1 USINAGEM DOS METAIS 2.1.1 Processo de usinagem Dentre os processos de fabricação a usinagem é amplamente utilizada para obtenção de peças e componentes com elevada qualidade e/ou grande precisão, sendo que se entende por operação de usinagem a atividade para conferir a forma, ou as dimensões ou o acabamento, ou ainda a combinação dos três itens, com remoção de material na forma de cavaco por uma determinada ferramenta e que é definido como sendo a porção de material da peça, retirada pela ferramenta (FERRARESI, 2013 e MACHADO et al.,2015). Embora o processo de usinagem seja considerado um dos processos de fabricação mais popular do mundo que segundo Machado et al. (2015), a usinagem transforma em cavaco algo em torno de 10 % da produção de metais e emprega milhões de pessoas, é difícil prever o que ocorre durante as operações de usinagem devido ao grande número de variáveis nelas envolvidas, o que nos leva continuamente a realizar estudos sobre os materiais empregados para fabricação das ferramentas de corte, buscando o prolongamento da sua vida, bem como as forças de corte, potência consumida e superfície final obtida para a sua melhoria econômica (SANTOS, 2010 e MACHADO et al.,2015). O estudo da usinagem de materiais é baseado nas propriedades mecânicas (atrito, deformação), na termodinâmica (calor) e nas características físicas, químicas e mecânicas dos materiais envolvidos e os parâmetros de usinagem são estabelecidos para cada tipo de material e ferramenta. As operações de usinagem são agrupadas de acordo com a máquina-ferramenta empregada, sendo estas subdivididas em desbaste e acabamento, no desbaste a principal preocupação é garantir elevada taxa de remoção do material e no acabamento a prioridade é a qualidade final do componente (MACHADO et al., 2015). 21 Segundo Machado et al. (2015) as condições ideais de corte são aquelas capazes de produzir peças dentro de especificações de forma, tamanho e acabamento ao menor custo possível. Dentre os processos de usinagem convencionais, os mais utilizados são: torneamento, fresamento, furação, aplainamento, mandrilamento, serramento, brochamento, roscamento e retificação, tendo como finalidade produzir peças dentro de especificações de forma, tamanho e acabamento ao menor custo possível. De acordo com Machado et al. (2015), os principais processos de usinagem não convencionais são remoção de material por jato d’água, jato abrasivo, fluxo abrasivo, ultrassom, eletroquímica, eletroerosão, feixe de elétrons, laser, plasma, química, fotoquímica, entre outros. Segundo Vivancos et al. (2004) para se obter condições de usinagem satisfatórias, é necessário que se tenha um bom conhecimento da microestrutura dos materiais envolvidos, dos efeitos sobre o comportamento das ferramentas de corte e sobre a eficiência dos processos de usinagem empregados. Os parâmetros de usinagem de um material são aqueles que expressam seu efeito sobre grandezas mensuráveis inerentes ao processo, tais como vida da ferramenta, acabamento superficial da peça, esforços e a temperatura de corte, produtividade e características do cavaco (VIGNEAU, 1997, DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008, KONDO, 2019). De acordo com Pivetta (2005) os fatores a serem considerados para melhoria do desempenho econômico das operações de usinagem são vida da ferramenta, parâmetros de corte, tais como velocidade, avanço, profundidade, potência consumida e superfície final da peça, entre outros. Conhecer o processo e entender os mecanismos de desgaste das ferramentas é fundamental para que se chegue a uma ótima escolha, que poderá representar economia, ou seja, a escolha mais apropriada só aparecerá da pesquisa. É como disse oportunamente o Dr. SHAW no prefácio de seu livro "Metal Cutting Principies": "devido à complexidade do processo de usinagem é impossível uma teoria preditiva. Deve-se adotar uma solução prática fundamentada em muitas experiências, ao invés de se procurar o impossível" (MACHADO e SILVA, 2004). Segundo Machado et al. (2015) a usinagem tem ainda a peculiaridade de ser um processo essencialmente prático que envolve um grande número de variáveis, e novamente citando Shaw “é praticamente impossível prever o desempenho no corte dos metais”, e que para chegar mais próximo a previsibilidade do que pode ocorrer, é fundamental que cada ponto seja detalhadamente estudado e propriamente interpretado. 22 2.1.2 Ferramentas de usinagem Segundo a norma ABNT NBR 6175 (2015), a ferramenta de usinagem mecânica é constituída de arestas cortantes, destinada a remoção de cavaco e quando possui uma única superfície de saída é denominada de ferramenta monocortante e ferramenta multicortante, quando possuir mais de uma superfície de saída. As variáveis relativas à forma na zona de deformação da peça, a distribuição de tensão, a temperatura e os esforços de corte, são influenciados pela geometria da ferramenta de corte. Segundo Rodrigues (2005), o desempenho das ferramentas de corte nas operações de usinagem é importante, sendo que a avaliação e melhoria da sua eficiência pode ser obtida por meio de modificações do material construtivo. Independentemente do material para uma ferramenta de corte, todos deveriam possuir propriedades que proporcionem alta dureza em elevadas temperaturas, alta resistência mecânica e ao desgaste, tenacidade suficiente para evitar falhas por fadiga ou fratura, alta resistência ao choque térmico, à compressão e ao cisalhamento, boas propriedades mecânicas e térmicas em temperaturas elevadas, alta resistência ao choque térmico, alta resistência ao impacto, elevada estabilidade química e ser inerte quimicamente (MATSUMOTO e DINIZ, 2000, COELHO E SILVA, 2018). Essas propriedades não necessariamente se reúnem em um só material, mas dependendo da aplicação, priorizam-se algumas delas, possíveis de serem reunidas. Desde as primeiras aplicações de processos de usinagem surgiram diversos materiais aplicados em ferramentas de corte. Para cada aplicação existe um tipo adequado de ferramenta de corte, sendo que os fabricantes procuram reunir algumas características no seu processo de fabricação, considerando-se que todas as características não se encontram reunidas em um único material (MACHADO et al., 2015, COELHO e SILVA, 2018). O resultado das operações de usinagem também pode ser melhorado com modificações da geometria da parte de corte da ferramenta que segundo a ABNT NBR ISO 3002-1 (2013), é a parte funcional de cada elemento da ferramenta que produz cavacos e é constituída pelas arestas de corte, onde se encontram as arestas principal e secundária de corte, a superfície de saída que é caracterizada pela região por onde desliza o cavaco e a superfície de folga, que é a superfície que determina a folga entre a ferramenta e a superfície em usinagem(MACHADO et al., 2015). Segundo Diniz, Marcondes e Coppini (2008), as forças de usinagem são consideradas como uma ação da peça sobre a ferramenta e a força total resultante que atua sobre a cunha cortante durante este processo, é chamada de força de usinagem. Estimar esta força torna-se 23 cada vez mais necessário, pois os processos de usinagem estão se tornando mais automatizados e para garantir a qualidade superficial da peça usinada, bem como a conformidade do processo e obter menores custos e tempos de manufatura, recomenda-se um estudo de previsibilidade tanto do desgaste e avarias da ferramenta, quanto das variações dos esforços de corte (PIVETA, 2005; DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Para definição da máquina-ferramenta, tolerâncias da peça a ser usinada, temperaturas de corte e a expectativa da vida da ferramenta, é importante conhecer a força de usinagem, pois ela está diretamente relacionada com o material da peça e com os ângulos de posição e de saída da ferramenta e ainda com os limites do operação da máquina-ferramenta. A ordem de grandeza e o comportamento dos esforços de corte nos processos de usinagem, afetam a potência necessária para o corte e, portanto, são considerados para o dimensionamento do motor da máquina-ferramenta (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Segundo Souza (2008), as operações de usinagem contribuem com uma boa parcela no custo final dos produtos, por isso é importante o desenvolvimento de tecnologias que promovam avanços na obtenção de propriedades da ferramenta a ser desenvolvida, proporcionando melhorias da resistência mecânica, confiabilidade e redução de custo. 2.1.3 Materiais para ferramentas de corte De acordo com (FERRARESI, 2013) a seleção adequada do material para a ferramenta de corte influi na eficiência do processo de usinagem, e o tipo de material a ser utilizado, depende de alguns fatores tais como: a natureza da operação de usinagem; o material a ser usinado; a forma e dimensões da própria ferramenta; a condição da máquina ferramenta; o custo do material para ferramenta; entre outros. Dos materiais utilizados para a fabricação de ferramentas de corte, muitas vezes, o que se sobressai em uma determinada propriedade é inferior nas outras, o que torna necessário buscar um equilíbrio entre elas. As características da ferramenta escolhida influenciam na quantidade de trocas de ferramentas, escolha das máquinas, tempos de fabricação, custo da mão de obra, entre outros fatores (XAVIER, 2003). Segundo (DINIZ, MARCONDES E COPPINI, 2008) não há uma classificação geral dos materiais para ferramentas, mas elas podem ser agrupadas de acordo com as suas características químicas e por ordem crescente em função da dureza a quente e resistência ao desgaste por abrasão. As ferramentas podem ser classificadas de acordo com o material utilizado na sua fabricação sendo: aços-rápidos (HSS), aços-rápidos com cobertura, metal-duro, metal-duro com cobertura, cermet, cerâmica, nitreto cúbico de boro (CBN) e diamante (PCD). 24 2.1.3.1 Aços rápidos O primeiro impacto significativo causado nos materiais para ferramentas aconteceu na virada do século XIX, quando Taylor e White desenvolveram em 1905, o primeiro aço-rápido, contendo 0,67% C, 18,91% W, 5,47% Cr, 0,11% Mn, 0,29% V e o tratamento térmico apropriado. É um aço ferramenta de alta liga constituído por tungstênio, molibdênio, cromo, vanádio, cobalto e nióbio, assim designado pois era o material de ferramenta que suportava maiores velocidades de corte (HSS – High Speed Steel). Esta descoberta revolucionou a prática de usinagem na época, resultando em um grande aumento de produtividade. As velocidades de corte puderam ser aumentadas em cerca de 20 vezes, passando de 3 a 5 m/min com as ferramentas de aço carbono para 30 a 35 m/min com as de aço-rápido. Exatamente por isso, estes aços receberam o nome de “rápidos”. Hoje, comparando com os materiais das ferramentas atuais, estes valores são relativamente baixos. Atualmente este grupo de materiais ainda resiste, pois mais de um século depois de descobertos, ainda são largamente empregados (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008, COELHO e SILVA, 2018). Apresentam elevada dureza a quente, podendo ser utilizados até temperaturas de corte da ordem de 600 ºC, sua tenacidade depende dos elementos de liga e do grau de solubilidade dos elementos que estão na sua composição (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). As principais aplicações dos aços rápidos são em brocas, fresas inteiriças, cossinetes, brochas, e até ferramentas de barras para aplicações em torneamentos de peças de diâmetros reduzidos, cuja velocidade de corte conseguida é inferior à velocidade econômica de corte dos materiais mais resistentes (COELHO e SILVA, 2018). As ferramentas de aço rápido são divididas em dois grandes grupos: • Aços ao Tungstênio (W), identificados pela letra “T”; • Aços ao Molibdênio (Mo), identificados pela letra “M”. Os principais elementos de ligas dos aços-rápidos são o Carbono (0.7 e 1.6 %), o Tungstênio (até 20%), o Molibdênio, o Vanádio (1 a 5 %), o Cromo, (até 4%), o Cobalto, além de outro como enxofre (0.05% a 0.2%) e o Titânio pode substituir parte ou completamente o vanádio. Os aços-rápidos apresentam uma elevação de dureza quando revenidos em temperaturas na faixa de 480°C a 565°C, dependendo da composição química. Para processos em que é necessária alta dureza a elevadas temperaturas, o principal elemento de liga do aço rápido deve ser o tungstênio. O segundo mais importante é o molibdênio, o terceiro o Co, e assim por diante (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008, COELHO e SILVA, 2018) . 25 Os aços-rápidos com teores de Co, que variam até um valor máximo de aproximadamente 12%, são normalmente os mais requisitados, justamente por permitirem velocidades de corte da ordem de 25% a 30% maiores que seus similares sem este elemento. Se a resistência ao desgaste abrasivo for a principal exigência do processo, o principal elemento de liga do aço rápido deve ser o vanádio, depois o tungstênio, o molibdênio, pois o carboneto de vanádio tem dureza superior à do carboneto de tungstênio e do carboneto de molibdênio (COELHO e SILVA, 2018). 2.1.3.2 Aços rápidos com cobertura Os aços rápidos começaram a receber coberturas para melhorias das condições do próprio aço rápido e para sua utilização em operações que requeiram maior resistência ao desgaste, aplica-se uma camada de cobertura com espessura entre 1 e 4 μm de um material mais resistente ao desgaste como por exemplo, o nitreto de titânio (mais utilizado) ou o carbonitreto de titânio, produzindo uma ferramenta com características tenazes no núcleo e duras, com elevada resistência ao desgaste e quimicamente inertes na superfície. Estas camadas possuem alta dureza, da ordem de 2300 HV, elevada ductilidade e baixo coeficiente de atrito, além de serem quimicamente inertes e possuírem ótima aparência (MACHADO e SILVA, 2004; DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). O método de deposição utilizado para aços rápidos, denominado PVD (phisical vapour deposition, ou deposição física de vapor), usa temperaturas de tratamento inferiores a 500°C e pode ser subdividido em três configurações básicas: evaporação a vácuo e a arco (vaccum or arc evaporation), ejeção (sputtering) e implantação iônica (ion implantation). Hoje a aplicação de ferramentas de aço-rápido revestida aumenta o tempo de vida das ferramentas e permite o uso de velocidades de corte superiores àquelas possíveis em ferramentas sem o revestimento. As ferramentas de aço rápido são normalmente reafiadas após o desgaste atingir determinados níveis, o que implica na necessidade de novo recobrimento, uma vez que a reafiação é feita pela retificação da zona desgastada. No caso das brocas e fresas, as ferramentas são normalmente reafiadas pela retificação da superfície de folga, ficando a superfície de saída sempre com a camada revestida. No caso de fresas caracol, a ferramenta é reafiada pela retificação da superfície de saída, neste caso quem fica sempre com o revestimento são as superfícies de folgas. (COELHO e SILVA, 2018). 26 2.1.3.3 Metal-duro Com o metal duro, novamente, as velocidades de corte puderam ser aumentadas em praticamente dez vezes (de 35 m/min com os aços-rápidos para 250 - 300 m/min). A descoberta desta classe aconteceu por volta de 1920, na Alemanha, quando Schröter conseguiu produzir em laboratório o carboneto de tungstênio, WC, em pó pela primeira vez. Quando foram verificadas as excelentes propriedades de dureza e resistência ao desgaste desse material, foi chamado de “widia” (da língua alemã, de wie diamant = como o diamante), fazendo referência à semelhança das propriedades desse material com as do diamante o metal duro possui uma excelente combinação de resistência ao desgaste, resistência mecânica e tenacidade (COELHO e SILVA, 2018). O metal duro é um produto da metalurgia do pó feito de partículas duras com um ou mais metais do grupo do ferro, níquel ou cobalto, finamente divididas e na forma de carbetos, com tamanho que varia de 1 a 10 μm, ocupando de 60 a 90 % do volume do material, formando um corpo de alta dureza e resistência à compressão e com bom compromisso entre dureza em altas temperaturas e a tenacidade. Usualmente são partículas de carbeto de tungstênio em combinação com outros tipos de carbetos, tais como os de titânio, tântalo e nióbio. O material aglomerante é na maioria das vezes, o cobalto e normalmente são utilizadas na forma de pastilhas fixadas mecanicamente (intercambiáveis) sobre um porta-ferramenta de aço- ferramenta (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). O material originalmente desenvolvido na Alemanha, continha WC + Co e se mostrou muito eficiente na usinagem de ferros fundidos cinzentos, mas com baixa resistência ao desgaste na superfície de saída usinando aços (craterização). Para superar esta deficiência, pesquisas logo se iniciaram, pois, os aços sempre foram os mais importantes materiais de uso geral em engenharia. Adicionou-se, então TiC, TaC e/ou NbC aos WC + Co verificando-se significativa redução no problema de craterização durante a usinagem dos aços (COELHO e SILVA, 2018). De acordo com a norma ISO 513, a classificação é composta por seis classes (P, M, K, N, H, S) e estas se subdividem em números, sendo que a classe P varia de P01 até P50; a classe M varia de M01 até M40; a classe K varia de K01 até K40. Quanto maior o número da classificação, maior é a tenacidade e menor é a dureza e a resistência ao desgaste. O grupo P é o que apresenta na sua composição química, maior teor de carbetos de titânio e de tântalo (TiC, TaC), proporcionando alta dureza e resistência ao desgaste abrasivo. O M é um grupo intermediário no teor de carbetos entre os grupos P e K. O grupo K possui carbeto de tungstênio 27 como constituinte de elevada dureza, proporcionando uma boa tenacidade a este grupo (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Mais recentemente, entretanto, a Norma ISO 513 (2004), apresenta uma nova classificação de grupos de ferramentas, que não é exclusividade dos metais duros, abrangendo, também, as cerâmicas e os ultraduros. A classe N, para os metais e ligas não ferrosas (principalmente, cobre e alumínio), cuja coloração padrão é o verde, a classe S, para as superligas ou ligas resistentes ao calor (ferro, titânio, níquel e cobalto), cuja coloração padrão é o marrom, e a classe H, para os aços endurecidos (aços fundidos e aços e ferros fundidos temperados), tendo o cinza como coloração padrão. Esta nova classificação retirou da classe K o antigo rótulo de classe dos não-ferrosos (COELHO e SILVA, 2018). São comuns tabelas detalhadas, indicando o campo de aplicação de cada grupo e subgrupo, na literatura e nos catálogos dos fabricantes de ferramentas de metal duro. A Figura 1 esta apresentada a designação que é recomendada pela norma ABNT NBRISO 513 (2015). Figura 1 - Classificação dos metais duros segundo a norma ABNT NBR ISO 513 Fonte: Adaptado de COELHO e SILVA, 2018. 28 2.1.3.4 Metal-duro com cobertura O revestimento de ferramentas de metal duro ganhou uma importância muito grande por garantir um desempenho bem superior à ferramenta sem revestimento na usinagem de materiais ferrosos. Dentre todo o metal duro utilizado na indústria, os revestidos representam mais de 95% no presente, com tendência ao crescimento contínuo. Outro fator que contribui muito para o crescimento da aplicação de metal duro revestido é o maior domínio das técnicas de revestimento assim como um custo mais acessível. Os revestimentos são aplicados em substratos de quaisquer classes de metal duro (COELHO e SILVA, 2018). Para aumentar a resistência ao desgaste da camada superior que entra em contato com o cavaco e com a peça, utiliza-se pastilhas de metal duro com cobertura de carbeto de titânio e/ou óxido de alumínio, nitreto de titânio e carbonitreto de titânio. As pastilhas de metal duro com cobertura, permanecem com tenacidade no núcleo, resultando uma diminuição nos esforços de corte e aumento da vida da ferramenta, sendo assim a cobertura permite conciliar as propriedades de tenacidade com resistência ao desgaste e dureza a quente (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Estas ferramentas podem ter uma única camada de cobertura ou mais, geralmente a primeira camada, logo acima do núcleo é o carboneto de titânio ou carbonitreto de titânio, que algumas vezes é a única camada de cobertura. As pastilhas com duas camadas de cobertura tem em geral, uma camada de óxido de alumínio ou de nitreto de titânio por cima da camada de TiC. As pastilhas com três camadas, em geral, possuem uma comada de TiN recobrindo uma camada intermediária de Al2O3, que por sua vez recobre uma camada de TiC que esta por cima do núcleo de metal duro. As camadas são geralmente aplicadas pelo processo CVD (deposição química a vapor). Segundo os fabricantes, cada camada tem a sua função específica e a associação de camadas permite oferecer um produto com todas as vantagens possíveis de se obter com a técnica. O carboneto de titânio (TiC) possui excelente resistência ao desgaste por abrasão, promove a adesão das comadas de cobertura com o metal duro do núcleo, já que o óxido de alumínio, que normalmente está por cima do TiC. Ele não possui alta afinidade físico-química com o metal duro para conseguir uma forte adesão com o núcleo. O carbonitreto de titânio (TiCN), também usado como cobertura do metal duro, tem propriedades similares ao TiC, a menos que o seu coeficiente de atrito é mais baixo que o do TiC. 29 O óxido de alumínio, garante a estabilidade térmica necessária em temperaturas elevadas, possui alta resistência a ataques químicos e à oxidação. É responsável pela baixa tendência de formação de desgaste de cratera das ferramentas de metal duro recoberto. O nitreto de titânio, reduz o coeficiente de atrito entre a pastilha e o cavaco. É quimicamente mais estável que o TiC, ou seja, tem menor tendência à difusão com aços. A espessura de camada é entre 5 a 7 m (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Testes de fresamento em alta velocidade foram realizados por Xiaobin e Zhao (2014) com o aço AISI D3 endurecido, para avaliar o desempenho de corte das ferramentas de cerâmica Al2O3/TiB2 com diferentes porcentagens de TiB2 produzidas por prensagem a quente. Foram verificados o desgaste das ferramentas, a temperatura de corte, as forças de corte e o coeficiente de atrito entre a ferramenta e o cavaco. Foi demonstrado que as taxas de desgaste e o coeficiente de atrito na interface ferramenta-cavaco das ferramentas de corte de cerâmica Al2O3/TiB2 no fresamento a seco e com alta velocidade de corte de aço temperado foram reduzidos em comparação com a usinagem a baixa velocidade. Camuşcu e Aslan (2007) realizaram o fresamento de alta velocidade do aço-ferramenta AISI D3 endurecido a 35 HRC usando ferramentas de corte à base de carbeto revestido, cermet revestido, alumina (Al2O3) na forma de cerâmica mista e de nitreto cúbico de boro (CBN). Os desempenhos das ferramentas de corte foram comparados em relação à vida da ferramenta e ao acabamento superficial da peça. Os resultados também foram discutidos em termos de custo da ferramenta. O melhor desempenho de corte foi obtido com a ferramenta de CBN. A ferramenta cerâmica Al2O3 mista (TiCN) também se mostrou adequada para fresamento frontal de alta velocidade do aço AISI D3 com 35 HRC. 2.1.3.5 Material cerâmico Segundo Diniz, Machado, Coppini (2008), as primeiras ferramentas de material cerâmico são da década de 50, mas sua utilização se intensificou na década de 80, em decorrência do desenvolvimento de novos compostos cerâmicos, trazendo melhorias nas propriedades da cerâmica, que promoveu o desenvolvimento e fabricação de ferramentas com melhores propriedades em relação às anteriores (com maior tenacidade à fratura e menos frágeis) e mantendo sua boa resistência aos choques térmicos. As cerâmicas são compostas de elementos metálicos e não metálicos, geralmente, na forma de óxidos, carbetos ou nitretos e a maioria tem estrutura cristalina, e em contraste com os metais, as ligações entre os elementos são iônicas ou covalentes. Em geral, as cerâmicas são 30 caracterizadas e identificadas por algumas propriedades: são materiais refratários, capazes de suportar altas temperaturas sem perder resistência mecânica, possuem alta resistência ao desgaste em operações de usinagem, são materiais frágeis, têm baixa condutividade térmica, apresentam boa estabilidade química e térmica, possuem boa resistência à fluência, apresentam alta resistência à compressão e baixa resistência à tração. A grande desvantagem do material cerâmico é sua excessiva fragilidade. Graças estas propriedades as ferramentas cerâmicas destacam-se as como sendo uma solução promissora para redução dos custos nos processos de usinagem, principalmente nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, petroquímica, automobilística e outras (MACHADO et al., 2015). Normalmente, as cerâmicas são usadas onde se requer alta dureza e resistência ao desgaste. As cerâmicas a base de alumina, apresentam excelente inércia química usinando materiais ferrosos. Entretanto, por não apresentarem tenacidades suficientes, os quebra-cavacos integrais ficam proibitivos, o que prejudicam sua aplicação nos aços comum ao carbono e de baixa liga. Por outro lado, quando se tratar de aços de alta dureza, acima de 45 HRC, as cerâmicas são sempre empregadas, principalmente no corte contínuo. No corte interrompido ainda existem grandes limitações, exceto no fresamento de ferro fundido cinzento, onde as cerâmicas a base de nitreto de silício têm sido eficientes (COELHO E SILVA, 2018). No passado o que limitava a aplicação das cerâmicas era a fragilidade que elas apresentavam. Com a introdução no mercado das cerâmicas mistas, cerâmicas reforçadas com SiC (whiskers) e cerâmicas a base de nitreto de silício, elas podem ter aplicações até nos cortes interrompidos, como por exemplo, no fresamento dos ferros fundidos cinzentos à altíssimas velocidades de corte e com altos valores de avanço. Isto é possível porque o grau de tenacidade conseguido nestas pastilhas é significativo, em relação aos materiais puros. É com o aparecimento de tais materiais, juntamente com os metais duros revestidos e os materiais de ferramentas ultraduros (PCD e PcBN), que os anos 80 podem ser considerados a época do terceiro grande impulso das ferramentas de corte (após os aços rápidos com o primeiro, e os metais duros com o segundo. As cerâmicas, de um modo geral, possuem algumas propriedades melhores e outras piores que os cermets e os metais duros. Na Figura 2, esta apresentada esquematicamente a comparação das propriedade dessas ferramentas de corte. Verifica-se que as cerâmicas possuem a maior dureza a quente, a maior resistência à oxidação e menor afinidade química com o material da peça, enquanto o metal duro possui maior tenacidade e maior resistência ao choque térmico entre eles. O cermet sempre ocupa uma posição intermediária, 31 entre o metal duro e a cerâmica, considerando qualquer uma dessas propriedades (COELHO e SILVA, 2018). Figura 2 – Comparação entre as propriedades da cerâmica, cermet e metal duro Fonte: SMITH, 1989 Cerâmica à base de Al2O3 Entre as ferramentas de cerâmicas tem-se as constituídas basicamente de finos grãos de alumina pura ou óxido de alumínio (Al2O3) obtidos por sinterização e com adição de outros materiais, denominados como aditivos que são adicionados em quantidades pequenas, para aumentar a resistência mecânica e melhorar outras propriedades da cerâmica de alumina pura (Al2O3). As primeiras ferramentas com adições apareceram nos anos 1970 e possuíam altos porcentuais, podendo chegar a 30% de Zr02 e/ou TiC principalmente e ainda podendo conter TiN, TiO2 e WC. Essas adições também conferem à matriz de Al2O3 uma maior tenacidade e, às vezes, melhores propriedades térmicas para suportar maiores impactos mecânicos e choques térmicos, situações inerentes a situações inerentes a certos processos de corte. Essas ferramentas possuem elevada dureza, resistência ao desgaste e excelente estabilidade química e baixa tenacidade. Quando usadas na usinagem são, geralmente, no acabamento de materiais fundidos e em aços tratados superficialmente ou totalmente temperados em certos processos de corte. Exigem geralmente máquinas com alta rigidez, isentas de vibrações (DINIZ, MARCONDES, COPPINI, 2008; COELHO e SILVA, 2018). 32 O óxido de magnésio (MgO) é um dos mais eficientes aditivos encontrados para sinterização da alumina, pois este previne o crescimento descontínuo dos grãos e permite que o Al2O3 seja sintetizado até próximo de sua densidade teórica. A adição de MgO em pequenos teores, aumenta a taxa de sinterização devido a formação de solução sólida pelo aumento da concentração dos defeitos puntuais. A densificação também é favorecida já que os coeficientes de autodifusão são proporcionais à concentração e a mobilidade dos defeitos e ocorrem também tanto a diminuição da mobilidade dos contornos de grãos quanto do tamanho dos grãos de alumina sintetizada, mas é importante salientar, não inibe o crescimento normal dos grãos, ele inibe o crescimento descontínuo dos grãos (ZAWATI et al.,2012 ; ALVES, 2018). Os mecanismos de atuação do MgO ocorrem em solução sólida, sendo que o óxido de magnésio (MgO) concentra-se nos contornos do grão reduzindo sua mobilidade, aumentando a taxa de densificação em relação a taxa de crescimento de grão, facilitando o transporte de oxigênio ao longo dos contornos de grão (SOUSA, 2020). No sistema alumina-zircônia (ZrO2), a alumina é a matriz e a zircônia é a fase precipitada que promove o aumento da resistência à fratura, da tenacidade à fratura e da dureza da cerâmica (INACIO, 2010). A adição de zircônia (ZrO2) no compósito de alumina, permite o aumento da tenacidade à fratura e consequentemente contribui para a aplicação do composto de alumina com adição de zircônia na utilização de ferramentas de corte em usinagens de materiais de usinabilidade baixa. Quando misturado com ZrO2, estas partículas podem se infiltrar entre as estruturas de Al2O3 para inibir o crescimento do grão, reforçando assim a integridade da matriz circundante e produzindo uma resistência à fratura muito alta, contribuindo para que a ferramenta de corte produzida com este composto, possua as características exigidas no processo de usinagem, que é a resistência ao desgaste e alta dureza (NORFAUZI et al., 2019). Cerâmica à base de Si3N4 Esse grupo foi disponibilizado comercialmente na década de 1980. As cerâmicas à base de nitreto de silício, que são sinterizados na presença do composto contendo óxido de alumínio, óxido de ítrio e óxido de magnésio (AI203 Y2O3 MgO) e outros e possuem em sua composição cristais de Si3N4 (nitreto de silício) com uma fase intergranular de SiO2 (cristais de vidro). Elas possuem boa resistência ao desgaste, com tenacidade superior às das cerâmicas à base de Al2O3. Segundo MACHADO et al. (2015) tem-se conseguido excelentes resultados na usinagem de 33 ligas de níquel e ferros fundidos e pouco sucesso na usinagem dos aços, devido à grande interação química com o ferro a elevadas temperaturas. Um produto que é comercializado com marca registrada SIALON, cujo nome tem origem no símbolo dos elementos que ele contém: Si, Al, O e N, tem mostrado bons resultados na usinagem de aço e excelentes aplicações nas superligas de níquel. A adição de Al e O às ferramentas desse grupo diminui as interações com o ferro e permite aplicações em aços. O baixo coeficiente de dilatação também diminui a possibilidade de trinca térmica durante a usinagem. Um outro grupo de material, posicionado entre os materiais cerâmicos e o metal duro, que apresenta uma fase cerâmica e outra metálica, é denominado “cermet”, possuindo como componentes principais os constituintes TiC, TiN e o Mo2C, além do elemento de ligação Ni. São mais resistentes ao desgaste se comparados aos metais duro, dando bons resultados no acabamento de aços moles, onde as velocidades de corte são bem altas, porém, para usinagem de aço endurecido, sua dureza a quente não é suficiente (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Na usinagem dos aços, a grande parte das aplicações fica por conta das cerâmicas mistas e oxidas (normalmente com adição de ZrO2), com pouca aplicação de SIALON. A usinagem de superligas e de aços endurecidos é dividida entre a cerâmica mista, o SIALON e o PcBN, mas apenas no torneamento. A aplicação de ferramentas cerâmicas exige alguns cuidados especiais, como: Uso de chanfros e evitar corte interrompido antes de iniciar a operação; o uso do fluido de corte deve ser evitado, se requerido, entretanto, usar o fluido em abundância; na aresta de corte; não usar aresta cortante afiada, sem chanfro ou arredondamento (honing); usar arestas com raio de ponta; preferir os maiores valores de vc e de f possíveis; usar um rígido sistema de fixação do inserto e bom assentamento da pastilha no suporte; usar em máquinas-ferramentas rígidas, livre de vibrações (COELHO e SILVA, 2018). A resistência mecânica de um inserto para operações de usinagem depende fortemente do ângulo de ponta e o seu aumento seguindo a ordem apresentada na Figura 3. Figura 3 - Sequência de formas de insertos que apresentam o ângulo de ponta, r, crescente, com consequente aumento da resistência mecânica. Fonte: Coelho e Silva, 2018 34 Este conceito deve ser aplicado quando da seleção da forma para os insertos em geral, mas principalmente se o material da ferramenta for cerâmica (COELHO e SILVA, 2018). 2.1.3.6 Materiais ultraduros para ferramentas São materiais com dureza superior a 3.000 HV. Fazem parte deste grupo os diamantes naturais momo e policristalino, diamante sintético monocristalinos, diamante sintético policristalino (PCD), nitreto cúbico de boro (cBN) e nitreto cúbico de boro policristalino (PcBN). O diamante é o material de maior dureza e resistência ao desgaste da natureza e as ferramentas de corte de diamante natural são usadas principalmente quando se requer super acabamentos nos componentes usinados, mas devido ao seu alto custo tem aplicação limitada (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). São usados principalmente quando se deseja alta precisão de medidas e acabamento brilhante como no caso de usinagem de espelhos e lentes (MACHADO et al., 2015). Entretanto, devido à sua fragilidade e risco de falha sob impacto e também seu alto custo, tem sua aplicação limitada como ferramentas de corte, principalmente após o surgimento dos diamantes e CBN sintéticos, que podem substituí-lo com bastante eficiência (COELHO e SILVA, 2018) O diamante sintético policristalino (PCD) pertence à classe de materiais denominada de ultraduros e é constituído de pequenas e finas partículas de diamante de graduação definida, obtendo-se o máximo de homogeneidade e densidade. A aplicação de diamante sintético na usinagem dos aços ou qualquer material ferroso, tem limitação, pois está sujeito a voltar ao estado de grafite em temperaturas superiores a 700 ºC na presença do oxigênio. O PCD é produzido pela sinterização de partículas do diamante com cobalto, utilizando alta pressão (6000 a 7000 MPa) e elevada temperatura (1400 ºC e 2000 ºC), sendo que uma camada de aproximadamente 0,5 mm de espessura ou é aplicada diretamente sobre uma pastilha de metal duro ou então é ligada ao metal duro através de brasagem. O PCD possui alta condutividade térmica (1 a 5 vezes o valor do metal duro), dificultando a formação de pontos quentes na ferramenta, alta dureza (cerca de 4 vezes a do metal duro classe K e 3 vezes a da alumina, resultando numa alta resistência ao desgaste por abrasão maior que a das cerâmicas (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Além da alta dureza, que não sofre alteração mesmo em altas temperaturas, e da razoável tenacidade, é importante a resistência ao choque, pois possibilita a utilização em processos de usinagem de corte interrompido. O PCD é de grande relevância para usinagem de aços endurecidos pois se mantém estável até 1300 ºC, com 35 dificuldade de reagir quimicamente e de grande resistência a abrasão (TREVELIN, 2011; OKADA et al., 2011). Ferramentas à base de cBN são aplicadas a usinagem de materiais ferrosos de elevada dureza. Sua tenacidade é bem próxima a do metal duro e melhor que a de algumas cerâmicas, sua utilização não pode ser economicamente viável devido ao seu elevado custo (MACHADO et al., 2015). O nitreto cúbico de boro tem sido também empregado na fabricação de ferramentas de corte voltada para a usinagem de aços endurecidos, tais como os aços para moldes, rolamentos, ferramentas de altas velocidades, além do ferro fundido branco e ferro fundido ligado (AOUICI et al., 2012). O PcBN é quimicamente mais estável que o diamante, podendo ser utilizado na usinagem de ligas ferrosas sem que ocorra grande desgaste por difusão. Sua tenacidade é similar ao material cerâmico baseado em nitretos e cerca de duas vezes a da alumina. Sua dureza só é superada pelo diamante, sendo quase duas vezes a dureza da alumina. Existem diversos tipos de PcBN no mercado. Cada fabricante usa diferentes materiais e quantidades de aglomerantes e diferentes tamanhos e distribuição de partículas. As ferramentas de PcBN, de maneira geral são utilizadas para usinagem em desbaste com ap entre 0,5 e 8 mm e para usinagem em acabamento ap menor que 0,5 mm (MATSUMOTO e DINIZ,2002). Os PcBNs para desbaste possuem maior concentração de nitreto de boro cúbico (90% em volume). Além disto, devido ao alto teor de cBN, estes materiais são os que apresentam maior dureza dentre os PcBNs. Devido a estas propriedades, estes cBNs são muito eficientes quando o mecanismo predominante de desgaste é a abrasão e/ou onde estão presentes forças de corte muito altas ou corte interrompido, como no torneamento e no fresamento em desbaste de aços endurecidos e ferro fundido cinzento onde as durezas envolvidas estão entre 45 e 65 HRC (MATSUMOTO e DINIZ, 2002). 2.1.3.7 Metodologia para selecionar a ferramenta de corte Sendo a dureza a primeira propriedade importante para uma ferramenta de corte, na Figura 4 esta apresentada a dureza dos principais grupos de materiais em função da temperatura. Nota-se que até mesmo o metal duro e as cerâmicas têm suas propriedades reduzidas com a temperatura, mas acima daquela apresentada pelos aços rápidos, por exemplo. Isto garante a aplicação destas ferramentas em condições de corte bem mais severas que aquelas a que podem se submeter os aços-rápidos (COELHO e SILVA,2018). 36 Figura 4 - Relações típicas de dureza a quente para os materiais de ferramentas Fonte: Citado por Prof. Anselmo Diniz – UNICAMP (Crédito: Fundamentals of Modem Manufacturing, 4ª Edição por MiKel P. Groover, 2010). As propriedades de dureza e resistência ao desgaste estão, também, diretamente relacionadas com a capacidade de imprimir altas velocidades aos processos, já que esse parâmetro é o principal responsável pelo aumento de temperatura. Esta relação é ilustrada na Figura 5, onde se observa a evolução das velocidades de corte ao longo dos anos, relacionada com o aparecimento dos diversos grupos de ferramentas de corte. Apesar de não estarem indicados, os materiais ultraduros, surgidos na década de 80, podem apresentar velocidades ainda superiores àquelas indicadas no diagrama, em algumas aplicações (COELHO e SILVA, 2018). Machado et al. (2015), propõem uma metodologia para selecionar uma ferramenta de corte, para definir a sua geometria e as condições de corte para uma determinada aplicação. O número de fatores é grande e, portanto, a decisão final está relacionada com a ferramenta e a condição de corte que apresentar o melhor desempenho, que são confirmadas mediante testes experimentais realizados em laboratórios de pesquisas. 37 Figura 5 - Aumento das velocidades de corte conseguido no último século Fonte: Pastor (1987) citado por Coelho e Silva, 2018. De acordo com Coelho e Silva (2018), o material de ferramenta ideal deveria ter a dureza do diamante natural, a tenacidade do aço rápido e a inércia química da alumina, porém ainda não existe. Nem sempre o melhor material é aquele que garante uma maior vida à ferramenta de corte. Às vezes, confiabilidade e previsibilidade de desempenho são mais importantes, e isto é tanto mais relevante quanto maior for o custo do material da peça No processo de seleção é importante entender qual o tipo de dano que a ferramenta sofrerá (avaria, deformação plástica ou desgaste) e os mecanismos envolvidos, para ser capaz de recomendar a ferramenta de corte mais apropriada para cada situação. É importante analisar estas propriedades e interpretar corretamente os requisitos dos materiais para ferramentas de corte para cada aplicação individual, para então poder selecionar a ferramenta corretamente. Na Figura 6, encontram-se os aspectos a serem considerados para a seleção da ferramenta de corte, considerando os dados de entrada, restrições, controles necessários e informações técnicas disponíveis. A dureza está ligada à resistência ao desgaste abrasivo, enquanto a tenacidade significa a capacidade do material absorver energia antes de se romper, ou seja, resistência ao impacto. O coeficiente de dilatação térmica e a condutividade térmica indicam a resistência ao choque 38 térmico. Quanto menor o coeficiente de dilatação e maior a condutividade térmica, maior a resistência ao choque térmico. Figura 6 - – Metodologia para selecionar uma ferramenta de corte Fonte: Adaptado de (MACHADO et al. (2015). 2.2 FRESAMENTO O fresamento é o processo mecânico de usinagem caracterizado pela utilização da ferramenta denominada fresa, composta de arestas cortantes cujo movimento de corte é proporcionado pela rotação da fresa ao redor do seu eixo. A fresa pode se apresentar sob as mais variadas formas, tanto ela quanto a peça podem se deslocar segundo uma trajetória qualquer, permitindo uma variedade de cortes e proporcionando uma versatilidade de utilização do fresamento para obtenção de peças com várias geometrias e poder substituir outros processos de usinagem, como indicado no Quadro 1 (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008; FERRARESI, 2013). Para Ferraresi (2013), o processo de fresamento se divide basicamente em fresamento cilíndrico tangencial e fresamento frontal. De acordo com Diniz, Coppini e Marcondes (2008) o tipo de fresamento pode ser classificado conforme a posição do eixo-arvore da máquina- 39 ferramenta em horizontal, vertical e inclinado, de acordo com o movimento relativo peça- ferramenta, em relação ao sentido de corte e avanço como discordante onde o sentido do movimento de avanço é contrário ao sentido do movimento rotatório da fresa e concordante , quando o sentido do movimento de avanço é o mesmo do movimento rotatório da fresa. Segundo Diniz et al. (2008), o fresamento tangencial é a operação em que os dentes ativos estão na superfície cilíndrica da ferramenta, o eixo da fresa é paralelo à superfície que está sendo gerada. As fresas são chamadas de fresas cilíndricas ou tangenciais. No fresamento frontal, as fresas são chamadas de fresas frontais ou de topo, os dentes ativos estão na superfície frontal da ferramenta e o eixo da fresa é perpendicular à superfície gerada. Quadro 1: Comparação entre o fresamento e outros processos de usinagem no corte de superfícies planas não de revolução. Fresamento Aplainamento Operação mais rápida Máquina e manutenção mais baratos Menor tempo de afiação de ferramenta Fresamento Brochamento Externo Quando a superfície a ser usinada intersecciona qualquer outra existente, o brochamento é impossível É mais econômico a partir de um determinado número de peças no lote. Fresamento Retificação Maior capacidade de remoção de cavaco Melhor acabamento superficial da peça e melhores tolerâncias (muitas vezes, a retificação é uma operação posterior ao fresamento) Fonte: adaptado de DINIZ, MARCONDES E COPPINI (2008). Para iniciar o processo de usinagem, alguns parâmetros de corte devem ser determinados, sendo estes as direção de avanço e de corte; as velocidades de corte (Vc) e de avanço (Vf); o avanço de corte (fc); a profundidade e a largura de usinagem (ap); a penetração de trabalho, entre outros fatores. (MACHADO et al. 2015). No fresamento os movimentos de avanço e de corte ocorrem concomitantemente. A velocidade de corte é a velocidade tangencial instantânea resultante da rotação da ferramenta em torno da peça. Neste processo a velocidade de corte tem maior influência no desgaste da ferramenta e sobre a temperatura de corte (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Segundo Ferraresi (2013) os movimentos dos processos de usinagem são movimentos relativos entre a peça e a aresta cortante e são referidos à peça, considerada parada. Os 40 movimentos que causam diretamente a saída do cavaco que é denominado movimento efetivo de corte, é resultante do movimento de corte e do movimento de avanço. O movimento de avanço é o movimento entre a peça e a ferramenta, que com o movimento de corte, origina o levantamento do cavaco. De acordo com Machado et al. (2015), os movimentos que não causam a formação do cavado são: o movimento de aproximação, que aproxima a peça da aresta de corte antes da usinagem, o movimento de ajuste para determinar a espessura do material a ser retirado, o movimento de correção realizado para compensar o desgaste da ferramenta ou outras variações e o movimento de recuo para afastar a peça da ferramenta As grandezas de penetração são as que descrevem geometricamente a relação de penetração entre a ferramenta e a peça, e indicam a profundidade ou largura de penetração da ferramenta em relação à peça e são medidas perpendicularmente ao plano de trabalho. No fresamento cilíndrico tangencial é denominada largura de usinagem (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). O avanço (f) é o percurso de avanço em cada volta ou cada curso da ferramenta, o avanço por dente (fz) é o percurso de avanço por dente ou aresta, correspondendo à distância entre duas superfícies e é medido na direção do avanço e resulta do movimento de avanço . O avanço por dente pode ser calculado com a Equação 1, já o avanço de corte (fc) é a distância entre duas superfícies consecutivas em usinagem, medida no plano de trabalho e perpendicular à direção de corte, este parâmetro pode ser obtido pela Equação 2 (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). 𝑓𝑧 = 𝑓 𝑧 (1) Onde: z = número de dentes da ferramenta. 𝑓𝑧 = avanço por dente 𝑓𝑐 = 𝑓𝑧𝑠𝑒𝑛𝜑 (2) Em que: φ = ângulo da direção do avanço, ou seja, entre a direção de corte e a de avanço. 41 De acordo com Ferraresi (2013) a velocidade do corte é a velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante e, segundo a direção e sentido de corte. Segundo Diniz, Coppini e Marcondes (2008) para as operações de torneamento, fresamento ou furação, é a velocidade tangencial instantânea resultante da rotação da ferramenta em torno da peça, onde o movimento de corte e o de avanço ocorrem concomitantemente. A velocidade de corte pode ser calculada com a Equação 3. 𝑣𝑐 = 𝜋𝑑𝑛 1000 (3) Em que: vc = velocidade de corte [m/min] d = diâmetro da ferramenta (mm) n = rotação da ferramenta (rpm) A velocidade de avanço (vf ) é a velocidade instantânea doa ferramenta segundo a direção e sentido de avanço e é pode ser calculada com a Equação 4. A velocidade efetiva de corte ( vc) e a velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante, segundo a direção efetiva de corte (DINIZ; MARCONDES ; COPPINI, 2008). 𝑣𝑓 = 𝑓𝑧 . 𝑛 = 1000.𝑣𝑐 𝜋𝑑 𝑓𝑧 (4) Em que: 𝑓𝑧= avanço [mm/volta] vf = velocidade de avanço [mm/min] 2.3 QUALIDADE DA SUPERFÍCIE E RUGOSIDADE Nos processos de fabricação de conjuntos mecânicos nos quais suas peças são fabricadas por processos de usinagem, a qualidade do acabamento da superfície é afetada pelo tipo de usinagem utilizado para remoção do material, e a condição da superfície influi no desempenho dos componentes. A qualidade da superfície das peças, depende do acabamento obtido na usinagem e das propriedades mecânicas da superfície do metal que podem ser modificadas durante a usinagem devido à ação de fatores, relativos à pressão da ferramenta, atrito da 42 superfície de folga da ferramenta com a peça, calor gerado pelo processo de corte, fenômenos ligados ao processo de formação de cavaco, vibração da ferramenta e da máquina entre outros (FERRARESI, 2013). As falhas graves observadas em componentes dinâmicos, produzidas por fadiga, corrosão, quase sempre começam ou se nucleiam na superfície das peças e suas origens dependem geralmente da qualidade da superfície (PINHEIRO, 2018). Segundo Ferraresi (2013) as mesmas condições de usinagem, com a mesma ferramenta e a mesma máquina-ferramenta, apresentam valores de rugosidades diferentes e este parâmetro (qualidade de superfície) é uma grandeza importante na avaliação da usinabilidade dos metais. A qualidade do acabamento da superfície de uma peça tem relação com a sua rugosidade que depende do processo utilizado na sua fabricação. Nas Figuras 7 e 8, são indicadas as faixas de rugosidade aproximadas das superfícies obtidas por alguns processos de produção. Uma peça retificada tem um valor de rugosidade entre 0,1 e 1,0 µm e se esta peça for obtida pelo processo de torneamento fino ou fresamento sua rugosidade será superior a 1 µm. Figura 7: Rugosidade (Ra) em função do processo de fabricação utilizado Fonte: Soares (2018). As alterações na superfície das peças causadas pela ação natural do processo de fabricação foram definidas em 1964 pelos pesquisadores Field e Kahles, como integridade superficial, que pode ser decisiva desempenho de componentes utilizados nas indústrias automotiva e aeronáutica (RODRIGUES, 2005). As deformações plásticas, ruptura, recuperação elástica, geração de calor, vibração, tensões residuais e até reações químicas, são fatores que podem gerar efeitos distintos na 43 superfície usinada influenciando na condição final da superfície da peça ( MACHADO et al., 2015). Figura 8: Rugosidade total (Rt) em função do processo de fabricação utilizado Fonte: Soares (2018). A integridade superficial não pode ser definida apenas pela textura de uma superfície e/ou sua forma geométrica e sim pelas possíveis alterações que podem ocorrer na superfície (acabamento) e modificações em camadas internas da peça usinada, sendo classificadas como indicado na Figura 9 (MACHADO et al., 2015; PINHEIRO, 2018). Para caracterização da integridade superficial deve-se considerar um conjunto de informações, tais como textura, macro micro estrutura e micro dureza e outros dados obtidos como por exemplo no ensaio de tração (tensão de ruptura e fluência), além do comportamento da peça usinada nos ensaios de resistência a fadiga, à corrosão e à tensão residual (RODRIGUES, 2005). De acordo com MACHADO et al. (2015), o resultado do acabamento de uma superfície usinada depende da combinação das variáveis referentes a rugosidade, ondulações e falhas, as ondulações são irregularidades superficiais ou erros geométricos com espaçamentos maiores que as irregularidades consideradas rugosidades. As superfícies podem ser classificadas em alterações na superfície (acabamento) e alterações em camadas internas da peça (alterações subsuperficiais). 44 Figura 9 – Classificação da integridade superficial de peças usinadas Integridade Superficial Acabamento Ondulações Falhas Rugosidade Alterações Subsuperficiais Fatores Mecânicos Deformação Plástica Rebarbas Alteração de micro dureza Micro ou macro trincas Tensões Residuais Fatores Metalúrgicos Recristalização Transformações Metalúrgicas Fonte: adaptado de Machado et al. (2015). Segundo Ferraresi (2013) as ondulações referem-se às series de desvios regularmente repetidos com comprimento de onda aproximadamente constante. Elas provêm de deflexões da peça ou da máquina operatriz durante a usinagem, excentricidades da peça (caso de torneamento) e ou da ferramenta (caso fresamento), operações de desbaste com grande avanço entre outros. As falhas são resultado de inclusões, trincas, bolhas, originando interrupções na topografia de uma superfície. A rugosidade de uma superfície é composta de irregularidades finas ou de erros micro geométricos resultantes do processo de corte (marcas de avanço, desgaste da ferrramenta, entre outros), que podem ser medidos por vários parâmetros (PINHEIRO, 2018). A rugosidade da superfície é constituída por desvios micro geométricos, ou micro irregularidades que são originados do processo de usinagem durante a formação do cavaco para remoção do material, vibrações da ferramenta, aresta postiça de corte, marca do avanço da ferramenta nas operações de acabamento, atrito na superfície de folga da ferramenta com a peça (FERRARESI, 2013 e MACHADO et al., 2015). A rugosidade pode ser avaliada sobre dois aspectos: quantitativo e qualitativo. Dessa forma, utilizam-se instrumentos de contato (quantitativo) ou ópticos (qualitativos). Os instrumentos de contato são apalpadores (ou agulhas) com raio de ponta extremamente pequenos, que percorrem a superfície da peça acompanhando a topografia da região. Esses deslocamentos verticais registrados pelo aparelho são ampliados para determinar o perfil da superfície (BECKER; SANTOS; SALES, 2005). Para determinar a rugosidade de modo quantitativo, ou seja, transformar em números o aspecto da textura superficial, geralmente se utiliza três grupos de parâmetros que são divididos de acordo com o perfil de rugosidade. Segundo Becker, Santos e Sales (2005), estes grupos seriam: parâmetros de amplitude que são determinados por alturas dos picos e profundidade 45 dos vales ou pelos dois, sem considerar o espaçamento entre as irregularidades ao longo da superfície; parâmetros de espaço que são determinados pelo espaçamento do desvio do perfil ao longo da superfície e parâmetros híbridos 1u3 são determinados pela combinação dos parâmetros de amplitude e espaço (MACHADO et al., 2015 e RODRIGUES, 2018). Conforme a norma ABNT NBR ISO 4287 (2002) podem ser utilizados os parâmetros Ra e Rt para avaliar a rugosidade de uma peça usinada, sendo: • Ra: conhecido como o desvio aritmético médio do perfil avaliado que é determinado pela média aritmética dos valores absolutos das ordenadas no comprimento da amostragem. • Rt: é a altura total do perfil que é obtido pela soma das maiores alturas de pico do perfil e das maiores profundidades dos vales, no comprimento de avaliação. Corresponde à distância vertical entre o pico mais alto e o vale mais profundo no comprimento de avaliação (lm). Para medição da rugosidade apenas o parâmetro Ra não é suficiente porque pode-se não identificar características significativas da superfície, pois consiste na média aritmética dos perfis e é pouco sensível à detecção de defeitos, e ainda, superfícies geometricamente diferentes podem apresentar valores de Ra muito próximos (KONDO, 2019 e RODRIGUES, 2018). Recomenda-se utilizar também o parâmetro Rt ou Rz para possibilitar a medição da altura máxima da rugosidade, que permite verificar qualquer defeito ou irregularidade na superfície (MACHADO et al., 2015). Outro fator que deve ser considerado na medição da rugosidade é o comprimento de amostragem (lr), ou em inglês cut-off, os valores de comprimento de amostragem e de avaliação (5 x ln) dependem da faixa da rugosidade Ra avaliada e da distância entre os sulcos deixados pelo avanço (f). A escolha do cut-off, os critérios, orientações devem estar conforme a norma NBR ISO 4288 (2008). Os valores de limites de cut-off padronizados podem ser encontrados no Quadro 2 para perfil aperiódico e no Quadro 3, perfil periódico. 46 Quadro 2: Comprimentos de amostragem e de avaliação em função da faixa de rugosidade de uma superfície conforme a norma NBR ISO 4288 (2008). Faixa Ra (µm) Comprimento de amostragem lr(cut-off) [mm] Comprimento de avaliação ln [mm] (0,006) ˂ Ra ≤ 0,02 0,08 0,4 0,02 ˂ Ra ≤ 0,1 0,25 1,25 0,1 ˂ Ra ≤ 2 0,8 4 2 ˂ Ra ≤ 10 2,5 12,5 10 ˂ Ra ≤ 80 8 40 Fonte: adaptado NBR ISO 4288 (2008). Quadro 3: Comprimentos de amostragem e de avaliação em função da faixa de rugosidade de perfis periódicos e RSm de perfis periódicos e não periódicos de uma superfície, conforme a norma ISO 4288 (2008). Faixa RSm (µm) Comprimento de amostragem lr(cut-off) [mm] Comprimento de avaliação ln [mm] (0,013) ˂ RSm ≤ 0,04 0,08 0,4 0,04 ˂ RSm ≤ 0,13 0,25 1,25 0,13 ˂ RSm ≤ 0,4 0,8 4 0,4 ˂ RSm ≤ 1,3 2,5 12,5 1,3 ˂ RSm ≤ 4 8 40 Fonte: adaptado NBR ISO 4288 (2008). Como exemplo, para um avanço entre 0,13 até 0,4 mm/rev o comprimento de amostragem de rugosidade (lr) ou cut-off deve ser de 0,8 mm. Pode-se obter valores indicativos dos parametros Ra e Rt mediante cálculos teóricos utilizando as Equações (5) e (6), respetivamente, para as operações de fresamento tangencial (MACHADO et al., 2015). 𝑅𝑎 = 𝑓𝑧 2 18√3𝑅 (5) 𝑅𝑡 = 𝑓𝑧 2 8𝑅 (6) Em que: fz = avanço por dente R = raio da fresa Segundo Diniz et al. (2008), para medição da rugosidades utiliza-se o rugosimetro a e a medição pode ser feita com ou sem contato do apalpador e a peça, sendo devido a simplicidade, versatilidade e baixo custo utiliza-se com mais frequencia o com o metodo de contato. A 47 medição é realizada numa distancia previamente estabelecida onde o apalpador de diamente se descola verticalmente e a distancia percorrida é convertida em sinal elétrico e então amplificado. O resultado da superfí