APOSTILA USINAGEM - Gilmar.pdf

Fundamentos da Usinagem dos MateriaisSumário Capítulo 1 – Introdução 1 Capítulo 2 – Grandezas Físicas no Processo de Corte 15 Capítulo 3 – Geometria das Ferramentas de Corte 24 Capítulo 4 – Formação do Cavaco e Interface Cavaco-ferramenta 36 Capítulo 5 – Força e Potência de Corte 62 Capítulo 6 – Temperatura de Usinagem 72 Capítulo 7 – Materiais para Ferramentas de Corte 87 Capítulo 8 – Revestimentos para Ferramentas de Corte ------------------------------ 127 Capítulo 9 – Avarias, Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta 157 Capítulo 10 - Vida da Ferramenta e Quantificação do Desgaste 168 Capítulo 11 - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências 176 Capítulo 12 – Integridade Superficial 212 Capítulo 13 – Usinabilidade dos Metais 232 Capítulo 14 – Referências Consultadas 262 Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales FUNDAMENTOS DA USINAGEM DOS MATERIAIS Prof. Dr. Sandro Cardoso Santos – CEFET-MG Prof. Dr. Wisley Falco Sales – PUC Minas Agosto de 2004 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução Capítulo 1 Introdução O conteúdo deste livro aborda, como tema principal, os processos de fabricação por usinagem. Antes, porém, de chegar à etapa de fabricação, o produto passa pelas fases de estudo e elaboração. Neste capítulo são apresentadas as etapas da produção de peças usinadas tendo como ponto de partida os principais tópicos referentes à METODOLOGIA DE ELABORAÇÃO DO PROJETO e em seguida é feita uma explanação a respeito dos processos de fabricação, com ênfase para o foco deste trabalho, que é o estudo da USINAGEM. 1.1 - Metodologia de Elaboração de Projeto No final da década de 1990, um novo termo surge para descrever uma nova era de incertezas especulativas e produtivas que atingiram o mundo: “a Globalização”. Nesse cenário especulativo, grandes indústrias e até mesmo países tornam-se vítimas de ataques à sua imagem e integridade financeira. Observando esses aspectos, as indústrias produtoras de bens de consumo passam a necessitar cada vez mais de metodologias capazes de administrar de forma efetiva a criação e fabricação de novos produtos, visando sempre atender ou superar as expectativas do consumidor. Só assim conseguirão disponibilizar seus novos produtos com rapidez, em um mercado altamente competitivo. O projeto de um componente ou sistema apresenta particularidades mas, à medida que um projeto é iniciado e desenvolvido, observa-se uma seqüência de eventos, em ordem cronológica que formam um modelo, que na maioria dos casos é comum a vários projetos (Back, 1983). A metodologia de caráter geral pode ser dividida em quatro fases principais: Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 1 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução • 1a Fase - Estudo de viabilidade: Durante esta fase são estudadas as necessidades do mercado. Procura-se determinar as características necessárias ao produto que garantam a sua aceitação pelos consumidores. Além disso, são determinadas as necessidades econômico financeiras para a sua produção e a alocação de recursos que serão utilizados no decorrer de todo o processo. Nessa fase são levantadas as primeiras soluções do problema proposto. • 2a Fase - Avaliação do produto: As concepções apresentadas na fase anterior serão avaliadas segundo critérios estabelecidos. Nessa fase surgirão novas concepções e melhorias para as já estabelecidas. Com a sua conclusão a solução principal para o problema estará definida, podendo ainda apresentar conjuntamente um pequeno número de soluções alternativas. • 3a Fase - Detalhamento do produto: O produto delimitado na segunda fase será detalhado, as soluções propostas são avaliadas e se o projeto apresentar chances reais de sucesso será encaminhado para a execução. • 4a Fase - Execução do produto: As etapas necessárias a produção do projeto especificado são realizadas. Produções de pilotos, pré-série e produção em série ocorrem de acordo com a realidade do mercado e características do produto. Na Figura 1.1 é apresentado o modelo para a primeira fase do desenvolvimento de projetos. O fluxograma pode ser dividido em três grupos principais: levantamento das necessidades, conceituação e análise de viabilidade. O termo conceituação é entendido como a determinação de soluções viáveis para as necessidades encontradas na análise do mercado (Ertas e Jones, 1994). Existem várias técnicas desenvolvidas para se atingir um número de soluções viáveis e com chances de tornarem-se produtos de sucesso. Ullman (1992) sugere duas técnicas de grande importância para conceber soluções para o problema em questão: Decomposição Funcional e Determinação de Soluções a partir das Funções. Existe uma diversidade de métodos propostos para conceber soluções como: ”brainstorming” (Ullman, 1992; Back, 1983; Ertas e Jones, 1994), método morfológico, inversão, analogia, fantasia, empatia, sinergia, técnica da caixa preta (Asimow, 1968), soluções dos usuários, Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 2 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução serviços, competidores e outras firmas (Urban, 1993), patentes, livros de referência e revistas especializadas, consultas a especialistas (Ullman, 1992), entre outros. Informações Experiência Viabilidade Teste de gerais tecnológica física princípios Informações Análise de de mercado necessidades não Fisicamente realizável ? Possíveis compradores sim Soluções construtivas não Válidos ? Viabilidade Fatores econômica econômicos sim Informações Explorar sistemas Modelos de tecnológicas envolvidos custo Proposições técnicas não Lucro ? Relevantes sim sim Completas ? Viabilidade Fontes de financeira investimento não Soluções Criatividade alternativas não Existe capital ? Soluções propostas sim Conjunto de não soluções possíveis Plausíveis ? sim 2a Fase : Projeto preliminar Figura 1.1 – Primeira Fase - Estudo de Viabilidade. De posse de um conjunto de soluções para as necessidades determinadas, deve-se filtrar e avaliar essas soluções por meio de um estudo de viabilidade física, econômica e financeira (Back, 1983). O objetivo do estudo de viabilidade é basicamente assegurar que o projeto, ao entrar na fase de detalhamento, será aceitável tanto do ponto de vista técnico quanto econômico. Esse estudo irá sugerir alterações para as soluções encontradas, adequando-as aos aspectos já referidos. Viabilidade Física: Uma solução será a primeira vista: fisicamente viável, funcional sob condições ou aparentemente inviável (Ullman, 1992). Sendo necessário um estudo detalhado para garantir a sua determinação. Essa avaliação é feita segundo critérios técnicos estudados pelo engenheiro em sua formação. Uma solução pode Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 3 Acima de tudo. E finalmente. abandonadas. O projeto deve ser examinado com relação a sua viabilidade financeira. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução ser aparentemente inviável quando ao primeiro contato do observador. é verificada a impossibilidade de funcionamento ou execução. 1968). É necessário determinar o porquê da sua inexeqüibilidade física. Viabilidade econômica: Um objeto para ser tópico adequado de um projeto de engenharia deve passar em um teste de compensação econômica. isso não é suficiente para determinar a falência de uma idéia. Caso contrário. Uma solução pode ser funcional sob condições quando para sua realização é necessário o cumprimento de uma condição específica. Porém. isto é. pois “existe uma tendência natural em preferir o tradicional à inovação” (Ullman. deve ser de suficiente valor para compensar o esforço (Asimow. Valor tem uma conotação que é singularmente pessoal. a solução funcionará se for implementado um avanço tecnológico específico. deve-se evitar rejeitar uma idéia pelo fato de ela implicar em inovação técnica. a solução fisicamente viável é aquela que após estudos detalhados. Viabilidade financeira: Um projeto pode apresentar méritos sob todos os pontos de vista e ser de um grande valor econômico. sugestões de modificações e melhorias não apresenta problemas construtivos ou conceituais. Segundo Buarque (1989). os valores permanecem subjetivos. pois cada um deles possui interesses específicos e a adaptação do projeto a suas necessidades irá fornecer uma solução com provável viabilidade econômica. mas sua realização necessita de recursos econômicos não disponíveis (Asimow. os resultados podem ser quantitativamente estimados e expressos em termos de dinheiro. por exemplo. antes que sejam feitas despesas substanciais com o seu trabalho. por conseguinte. Quando se pode aplicar este instrumento de medida. o projetista deve estar preparado e capacitado a avaliar os estados econômicos do produtor. distribuidor e consumidor. algumas podem exigir maiores recursos financeiros do que os disponíveis e devem ser. 1968). baseado na sua experiência. A única medida objetiva encontra-se no mercado. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 4 . 1992). Pode ser que algumas das soluções propostas acarretem mais demanda financeira que outras. O objetivo de um projeto preliminar é estabelecer qual das alternativas propostas apresenta a melhor concepção para o projeto.2 – Segunda Fase . a extensão da faixa dentro da qual os principais parâmetros do projeto devem ser controlados (Back.1.2 é apresentada a morfologia do projeto preliminar. A solução escolhida é submetida a exames mais detalhados. 1983. Os estudos de síntese são iniciados para estabelecer.1 .Projeto Preliminar Na Figura 1. 1968). Essa fase inicia-se com um conjunto de soluções úteis que foram desenvolvidas no estudo de viabilidade. Cada uma das soluções alternativas fica sujeita à análise em ordem de grandeza. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução 1.Projeto Preliminar. numa primeira aproximação. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 5 . Estudo da Recursos Otimização dos viabilidade matemáticos parâmetros Experiência Seleção da do grupo melhor solução não Adequados ? Primeira solução sim Valores dos parâmetros não Melhor ? Testar processo Testes de e prever desempenho laboratório sim Recursos Formulação do modelo matemático Dados dos matemáticos testes Dados da simulação não Aceitáveis ? Válidos não sim Suficientes ? Simplificação Experiência sim Recursos Análise de sensibilidade matemáticos e compatibilidade das variáveis não Melhor mais barato ? Sensibilidade não sim identificada Projeto melhorado sim Grau de sensibilidade das variáveis 3a Fase: Projeto detalhado Figura 1. até que a evidência indique que uma delas é inferior a algumas ou superior a todas as outras. Asimow. a oferta do competidor e a disponibilidade de matérias- primas podem ser modificadas. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 6 . As condições sócio-econômicas. O tempo. a fim de se validar a concepção para o mesmo e de se fornecer as informações essenciais para suas fases posteriores. Seu objetivo é fornecer as descrições de engenharia de um projeto frutífero e verificado.1.3. dirigido para as questões de como a solução se comporta com o tempo.2 . empreendem-se estudos do tipo projetivo. 1983). tais como o gosto do consumidor. Sua morfologia é apresentada na Figura 1. 1. muito provavelmente. os aspectos críticos do projeto devem ser verificados. o estudo da arte técnica pode progredir (Back. O problema é saber com que rapidez a razão de obsolescência ou desgaste deve ser aceita como uma das considerações importantes de um projeto. reduzirá a qualidade do produto. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução Em seguida. Finalmente.Projeto Detalhado A fase do projeto detalhado começa com a concepção desenvolvida no projeto preliminar. partes são detalhadas. o desgaste é considerado. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 7 . dimensões são calculadas. etc. testados e modificados de acordo com o requerido e a máquina ou sistema torna-se inteiramente desenvolvido. Com esse programa como base.3 . uma síntese geral. Com a concepção para o projeto em mente e as informações preliminares em mão. chega-se a um produto fabricável. Capacidades são determinadas exatamente. consegue-se. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução Projeto preliminar Tecnologia Desenho de conjunto de montagem Especificação Tecnologia de subsistemas não Completos ? Subsistemas sim Desenhos de montagem não Adequados ? Normas e Experiência em padronização desenho. provisoriamente. 1983).Terceira Fase . ou seja. normas sim e padronização Especificar Tecnologia componentes Conjunto de desenhos Lista de componentes não Aceitáveis ? não Satisfatória ? sim Liberar para Administração fabricação sim Tecnologia Descrição das partes não Adequado ? não sim Possíveis ? Desenho para sim fabricação Conjunto de desenhos de partes ou peças Próximas Fases Figura 1. o projeto detalhado ou especificações dos componentes são efetuados. Nessa fase estabelece-se um programa do projeto a ser elaborado (Back. Assim todos os componentes são sintetizados.Projeto Detalhado. completamente detalhado e claramente descrito. a fim de apoiar uma decisão definida. Planejamento financeiro. Planejamento do sistema de fluxo de informações. contudo. Planejamento do controle de produção. 8. Projeto de ferramentas e gabaritos. O grau de confiança no sucesso do produto deve ser elevado. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 8 . deve continuar representando seu papel de liderança. Planejamento. especificação e projeto de nova produção e mesmo de novas instalações da fábrica. A fase do planejamento de produção envolve muitas pessoas que modificarão. Back (1983) sugere a seguinte lista típica de indústrias de produção em massa para as atividades de planejamento de produção: 1. entram em jogo. um compromisso econômico de grandes proporções. 2. freqüentemente. 6. Uma nova série de experiências técnicas. Planejamento detalhado dos processos de fabricação de acordo com as exigências de todas as partes. A decisão sobre a produção envolve. o grupo projetista original. Planejamento do sistema de controle da qualidade. de acordo com a indústria. 4. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução 1. 7. grande parte da fase presente tem sua responsabilidade compartilhada com outros setores da administração.2 . 3. em forma e detalhe.Planejamento da Produção (Execução do Produto) Enquanto as fases anteriores situavam-se praticamente na esfera de um engenheiro projetista. concernente a projetos de ferramentas e engenharia de produção. 5. Planejamento para o pessoal da produção. submontagens e montagem final. Cada processo de fabricação apresenta características peculiares que o distingue dos demais.Representação esquemática de um processo de fabricação. a soldagem. descritas de maneira sucinta anteriormente. Mas.3 .4 é mostrado um exemplo de processo de fabricação. a conformação. como fabricar? A fabricação consiste em transformar a matéria prima em produto acabado. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução 1. pela deformação plástica como meio de obter a geometria do produto. a metalurgia do pó. pela prensagem e aquecimento de partículas misturadas a um aglomerante. O conjunto de procedimentos empregados nessa transformação é denominado processo de fabricação. a injeção. o que se entende por processos de fabricação? “Fabricar é conferir a uma peça a forma desejada e estabelecida no projeto”. a fundição é caracterizada pela fusão de um metal que é vazado em um molde. Assim. Na representação esquemática da Figura 1.Fabricação do Produto Depois de realizadas as diversas etapas do projeto.4 . surge a necessidade de “FABRICAR” o produto. MATÉRIA PRIMA PRODUTO ACABADO OU SEMI-ACABADO PROCESSO DE FABRICAÇÃO Figura 1. pela junção de peças por meio da adição de metal fundido nas junções. pela fusão de plásticos ou metais Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 9 . Mas. Os processos não tradicionais (ou não convencionais) empregam outras modalidades de energia para remover o material como ultra-som. Se considerarmos os seus principais componentes. fresamento.5 são mostrados os diversos processos de fabricação atualmente desenvolvidos. partindo de outra forma inicial como matéria prima. Na Figura 1. plasma. O que caracteriza o processo de usinagem é que a transformação da matéria prima em produto se dá pela remoção de material na forma de cavacos. fluxo abrasivo. furação. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução de baixo ponto de fusão que são conduzidos a alta pressão ao interior de um molde e assim por diante. etc. reações químicas ou eletroquímicas. laser. poderemos fazer uma longa lista de itens que são usinados em alguma etapa da fabricação. etc. A usinagem dividida em duas categorias de acordo com a energia empregada para remover o material. pode ser realizado por diversas maneiras. Produzir a forma desejada. A usinagem convencional representa uma parcela significativa entre os processos de fabricação. rosqueamento. alargamento. Pode-se tomar como exemplo a fabricação de um automóvel. Na usinagem tradicional (ou convencional) o material é removido por cisalhamento devido à ação da ferramenta de corte. Como exemplos de processos tradicionais de usinagem tem-se o torneamento. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 10 . feixe de elétrons. retificação. brochamento. 5 – Principais processos de fabricação. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 11 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução Torneamento Fresamento Furação Convencional Alargamento Mandrilamento Brochamento Roscamento Serramento Outros ComRemoção de Cavaco Eletroerosão Eletroquímica Jato Abrasivo Jato de Água Usinagem Jato de Água Abrasivo Não Convencional Ultra-som Fluxo Abrasivo Laser Plasma Feixe de Elétrons Outros Retificação Brunimento Abrasivos Lapidação Processos Lixamento de Fabricação Outros Molde de Areia Cera Perdida Fundição Fundução Sob Pressão Outros Eletrodo Revestido Resistência Soldagem Arco Submerso Laser MIG/MAG SemRemoção de TIG Cavaco Laminação Extrusão Conformação Conformação Forjamento Trefilação Outros Estereolitografia Sinterização a Laser seletivo PrototipagemRápida Modelagempor Deposição de Fundido Laminação de Objetos Impressão Tridimensional Figura 1. Com o passar do tempo. Entende-se por cavaco a porção de material que é removida da peça. entre outros. mas o modo com que o material é retirado da peça apresenta algumas diferenças em relação à usinagem. No Período Neolítico.4.Corte dos Metais ou Processos de Usinagem Não existe uma definição clara para a usinagem usinagem. 1. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução O foco principal deste livro é o estudo dos processos de fabricação por usinagem.cimm. a retificação.com. Como exemplo. 1. a retificação é enquadrada como um processo abrasivo.Evolução da Usinagem (www. Outros processos de fabricação também retiram material da peça como a estampagem. na usinagem tem-se ferramentas com formas e quantidades definidas atuando sobre a peça. com ênfase nos fenômenos relacionados à remoção dos materiais por cisalhamento e nos processos de usinagem propriamente ditos. enquanto na retificação o número de ferramentas (grãos abrasivos) atuantes é muito grande. mas a mais aceita é a que considera Usinagem como os processos de fabricação em que há retirada de material da peça na forma de cavaco.4 .br) No Período Paleolítico. classifica-se a usinagem como: PROCESSOS DE FABRICAÇÃO EM QUE UMA PORÇÃO DE MATERIAL É REMOVIDA DA PEÇA. Além disso. Os primeiros metais a serem conhecidos Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 12 . eles estão aleatoriamente distribuídos sobre a superfície do rebolo e nesse caso. NA FORMA DE CAVACO. Portanto.1 . assim como o brunimento e a lapidação. POR CISALHAMENTO. o homem passa a usar metais na fabricação de ferramentas e armas no fim da pré-história. pontas de lanças e machados eram fabricados com lascas de grandes pedras. as facas. os artefatos eram obtidos com o desgaste e polimento da pedra (Princípio da Retificação). O suporte eliminou a necessidade de segurar as ferramentas com as mãos. Com a pancada de uma cunha manual surgiu o cinzel. movimentando esta ferramenta para frente e para trás. aplicando-se pressão surgiu a serra. necessitou-se de uma acuracidade dimensional. foram durante os períodos de guerra que ocorreram consideráveis progressos das máquinas destinadas à fabricação. Figura 1. principalmente no final do século XVIII. Este princípio foi aplicado em um dispositivo denominado furação de corda puxada. Um grande avanço nesse período foi a transformação do movimento de translação em movimento de rotação (com sentido de rotação invertido a cada ciclo). conforme mostrado na Figura 1. o estanho. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 13 . O marco deste progresso foi o surgimento de partes intercambiáveis. O ferro foi o último metal que o homem passou a utilizar na fabricação de seus instrumentos.6 – Mecanismo de corda puxada. No século 19 o trabalho do ferreiro era muito lento. na fabricação dos blocos de cilindros e de outros componentes. Com o advento do motor de combustão interna. diminuindo portanto o risco de acidentes. correias e roldanas). Mais tarde o vapor seria substituído pela energia elétrica. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução foram o cobre e o ouro e em escala menor. A introdução de suporte mecânico no torno é um outro exemplo de um grande avanço no processo de fabricação. Porém.6. Surgem então as máquinas movidas a vapor (energia esta transmitida através da oficina por meio de eixos. de sistemas como o CAD/CAM (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing). principalmente as tecnologias de novos materiais. Antes disso. CBS (Computer Business Systems) e CIM (Computer Integrated Manufacturing). entre todos os processos de fabricação. HSM (High Speed Machining). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 14 . Todas têm em comum a automatização. surgindo então máquinas mais complexas. A engenharia avançou significativamente nos últimos 100 anos. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Introdução até então sem precedentes na indústria mecânica. até meados do século XVIII. visando minimizar falhas operacionais e aperfeiçoar as várias etapas do processo produtivo (De Sousa. Nos últimos tempos. com ferramentas de aço carbono endurecido (Trent e Wright. 1999). devido à enorme quantidade de variáveis envolvidas. a usinagem é o mais difundido. a usinagem também evoluiu. ferramentas de corte e fluidos de corte. 1998). Esses motores eram fabricados com materiais relativamente fáceis de serem usinados. como resultado do desenvolvimento das máquinas-ferramentas. onde máquinas operatrizes fazem parte direta ou indiretamente. Com a industrialização. Atualmente novas tecnologias foram incorporadas às linhas de produção. os processos artesanais foram substituídos gradativamente por processos onde o homem pouco interferia. FMS (Flexible Manufacturing Systems). Hoje. o principal material utilizado em engenharia era a madeira. o que levou a enormes desafios no desenvolvimento da usinagem dos metais. mesmo sendo bastante imprevisível e apresentando enormes dificuldades no seu modelamento. como o ferro fundido cinzento. o latão e o bronze. cujos os problemas na usinagem são bem diferentes daqueles impostos pelos metais. • Movimento de avanço: movimento que. A remoção do cavaco só é possível devido a uma série de movimentos relativos entre a ferramenta e a peça.Movimentos São movimentos relativos entre a peça. sem o movimento de avanço. que foi criada com o objetivo de padronizar a nomenclatura dessas grandezas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Grandezas Físicas no Processo de Corte Capítulo 2 Grandezas Físicas no Processo de Corte No capítulo anterior foi apresentado o conceito de usinagem como o processo de fabricação em que a transformação da matéria-prima em produto se dá pela remoção de material em forma de cavacos. origina uma única retirada de cavaco. associado ao movimento de corte. As definições referem-se a um ponto genérico da aresta de corte. • Movimento efetivo: movimento resultante dos movimentos de corte e avanço. Os movimentos que não tomam parte direta na formação do cavaco são: Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 15 . considerada estática e a aresta de corte da ferramenta. percursos e das grandezas relacionadas ao cavaco. O estudo desses movimentos está inserido dentro do tópico denominado grandezas físicas no processo de corte que trata ainda das velocidades. 2. promove a retirada contínua de cavaco. Movimentos e Relações Geométricas na Usinagem dos Metais – Terminologia. Os movimentos que tomam parte direta na formação de cavaco são: • Movimento de corte: movimento entre a peça e a ferramenta que. São distintos dois tipos de movimento: movimentos que fazem parte da retirada de cavaco e os movimentos que não tomam parte na retirada de cavaco. As definições aqui apresentadas são transcrições da Norma ABNT NBR 6162/1989.1 . Direções dos Movimentos São as direções em que ocorrem os movimentos de corte. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 16 . • Direção de avanço: direção instantânea do movimento de avanço. As direções dos movimentos de corte no processo de torneamento são mostradas na Figura 2. • Direção efetiva: direção instantânea do movimento efetivo de corte. antes do início da usinagem. • Movimento de ajuste: movimento entre a peça e a ferramenta com o qual é determinada a espessura de material da peça a ser retirada (ajuste da profundidade de corte). Movimento Movimento de corte de efetivo ve vc vf Movimento de avanço Figura 2. Dessa forma: • Direção de corte: direção instantânea do movimento de corte.Direções dos movimentos de corte.2 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Grandezas Físicas no Processo de Corte • Movimento de aproximação: movimento entre a peça e a ferramenta com o qual a ferramenta se aproxima da peça.1 . avanço e efetivo no torneamento.1 . • Movimento de correção: movimento para compensar o desgaste da ferramenta. avanço e efetivo. 2. • Movimento de recuo: movimento com o qual a ferramenta é afastada da peça após a usinagem. Conceitos Auxiliares Plano de trabalho Pfe: é o plano que contem as direções de corte e de avanço e passa pelo ponto de referência da aresta de corte.5 .Percursos da Ferramenta na Peça Percurso de corte Lc: é o espaço percorrido pelo ponto de referência da aresta de corte da ferramenta sobre a peça. Definições análogas são válidas para os movimentos que não tomam parte diretamente na formação do cavaco. Percurso efetivo Le: é o espaço percorrido pelo ponto de referência da aresta de corte da ferramenta sobre a peça. Nesse plano ocorrem os movimentos que tomam parte na retirada de cavaco.4 .Velocidades Velocidade de corte vc: é a velocidade instantânea do ponto de referência da aresta de corte da ferramenta. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 17 . 2. 2. segundo a direção de corte. Velocidade de efetiva de corte ve: é a velocidade instantânea do ponto de referência da aresta de corte da ferramenta. segundo a direção e sentido efetivo de corte. Velocidade de avanço vf: é a velocidade instantânea do ponto de referência da aresta de corte da ferramenta. segundo a direção e sentido de avanço. segundo a direção efetiva de corte. segundo a direção de avanço. Nos casos em que haja movimento de avanço principal e avanço lateral. devem-se distinguir as componentes do percurso de avanço.3 . Percurso de avanço Lf: é o espaço percorrido pelo ponto de referência da aresta de corte da ferramenta sobre a peça. segundo a direção e sentido de corte. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Grandezas Físicas no Processo de Corte 2. Representação esquemática do plano de trabalho (Pfe) e dos ângulos da direção de avanço (ϕ) e da direção efetiva de corte (η). No fresamento esse ângulo varia durante o corte. Devem- se distinguir a superfície em usinagem principal e a superfície em usinagem secundária. Ângulo da direção efetiva de corte η: é o ângulo entre a direção de corte e a direção efetiva de corte.3 η ϕ Plano de trabalho ve vc Peça vf Ferramenta Figura 2. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 18 . Os ângulos ϕ e η. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Grandezas Físicas no Processo de Corte Ângulo da direção de avanço ϕ: é o ângulo entre as direções de corte e de avanço. onde a primeira é gerada pela aresta principal de corte e a segunda pela aresta secundária de corte As superfícies em usinagem são representadas na Figura 2. Nem sempre a direção de avanço é perpendicular à direção de corte. bem como o plano de trabalho encontram-se representados na Figura 2.2.2 . Superfícies em usinagem: são as superfícies geradas na peça pela ferramenta. em mm/revolução ou em cada curso da ferramenta.Superfícies em usinagem. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Grandezas Físicas no Processo de Corte Superfície principal de usinagem Superfície secundária de usinagem Figura 2. 2.3 . direta ou indiretamente. em mm/golpe. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 19 . mostrados na Figura 2.1) onde z é o número de dentes da ferramenta. medido na direção do avanço da ferramenta e corresponde à geração de duas superfícies consecutivas em usinagem. O avanço por dente pode ser decomposto no avanço de corte e no avanço efetivo de corte. como no caso do fresamento. distingue-se o avanço por dente (fz). f=fz.z (2.4.6 .Grandezas de Corte São grandezas que devem ser ajustadas na máquina. Avanço (f): é o percurso de avanço em cada volta. No caso de ferramentas que possuam mais de um dente. numa direção perpendicular à direção de avanço.3) Profundidade ou largura de usinagem ap: é a profundidade ou largura de penetração. Avanço de corte (fc): é a distância entre duas superfícies consecutivas em usinagem. 2. 2. medida na direção perpendicular à direção de corte.sen(ϕ-η) (2. no plano de trabalho. senϕ (2. Penetração de trabalho ae: é a penetração da ferramenta em relação à peça. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 20 . fc = fz . medida na direção perpendicular à direção de corte.2) Avanço efetivo de corte (fc): é a distância entre duas superfícies consecutivas em usinagem. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Grandezas Físicas no Processo de Corte η Direção de corte ϕ fc fe fz Direção efetiva de corte Figura 2.Representação esquemática do avanço por dente fz. medida no lano de trabalho e numa direção perpendicular à de direção de avanço (Fig.4 . no plano de trabalho.5). É de importância predominante no fresamento e na retificação (Fig. medida no plano de trabalho. do avanço de corte fc e do avanço efetivo fe no fresamento discordante.5). fc=fz. Para ferramentas de corte com aresta retilínea e sem raio de ponta.Grandezas Relativas ao Cavaco São grandezas calculadas a partir das grandezas de corte.5. na direção perpendicular à direção de corte (Fig. na direção perpendicular à Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 21 . medida na superfície em usinagem principal. medida na superfície em usinagem principal. tem-se: ap b= (2. Representação esquemática das profundidades medidas em usinagem. 2. medida no plano de trabalho e na direção de avanço (Fig. 2. Fig. 2. Largura de corte b: é a largura calculada da seção transversal de corte a ser retirada.5). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Grandezas Físicas no Processo de Corte Penetração de avanço af: é a penetração da ferramenta.7 .4) senχ r Largura efetiva de corte be: é a largura calculada da seção transversal de corte a ser retirada. 2.6). Para ferramentas de corte com aresta retilínea e sem raio de ponta. Para arestas de corte retilíneas: h=f. 2. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 22 .6) Fig.5) Espessura de Corte h: é a espessura calculada da seção transversal de corte a ser retirada.(1-sen2ηcosχr2)1/2 (2. 2. tem-se: be=b.senχr (2. Representação esquemática das grandezas relativas ao cavaco. medida normalmente à superfície em usinagem principal e segundo a direção perpendicular à direção de corte (Fig.6.6). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Grandezas Físicas no Processo de Corte direção efetuva de corte. he (2.fc (2.10) Ae=be. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Grandezas Físicas no Processo de Corte Espessura efetiva de corte he: é a espessura calculada da seção transversal efetiva de corte a ser retirada. medida normalmente à superfície em usinagem principal e segundo à direção perpendicular à direção efetiva de corte. medida no plano normal à direção efetiva de corte.8) Ae=ap. Na maioria dos casos: A=ap.h (2.9) Em ferramentas sem arredondamento na ponta de corte: A=b.7) 1 + sen 2 χ .fe (2. h he = (2.tan 2 η Seção transversal de corte A: é a área calculada da seção transversal de um cavaco a ser retirado.11) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 23 . • Aresta principal de corte S: aresta de corte cuja cunha de corte. 3. ângulos e planos que compõem a geometria das ferramentas. observada no plano de trabalho. indica a direção contrária à direção de avanço. observada no plano de trabalho e para m ângulo da direção de avanço ϕ = 90º indica a direção de avanço. superfícies. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte Capítulo 3 Geometria das Ferramentas de Corte A geometria das ferramentas de corte tem influência marcante na usinagem dos materiais. São definidas a aresta principal de corte S e a aresta secundária de corte S’. Superfície de saída Aγ: superfície da cunha cortante sobra a qual o cavaco desliza. A padronização da nomenclatura utilizada consta na Norma ABNT NBR 6163/80 – “Geometria da Cunha de Corte”. Constam dessa norma as definições apresentadas a seguir.Definições Cunha de Corte: cunha formada pelas superfícies de saída e de folga da ferramenta. • Aresta secundária de corte S’: aresta de corte cuja cunha de corte. Superfície de folga: é a superfície da cunha cortante que define a folga entre a superfície em e a ferramenta. e para o ângulo da direção de avanço ϕ = 90o. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 24 . Os cavacos formam-se sobre a cunha cortante por meio do movimento relativo entre a peça e a ferramenta. Distingue-se a superfície principal de folga Aα e a secundária de corte A’α. Arestas de corte: são formadas pelas superfícies de folga e de saída. Este capítulo apresenta as definições das arestas.1 . 1 . As definições apresentadas são mostradas na Figura 3. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 25 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte Ponta de corte: região da cunha cortante formada pela intersecção das arestas principal e secundária de corte Ponto de corte escolhido: ponto tomado como referência para as definições dos ângulos da cunha cortante.Arestas e superfícies que formam a cunha cortante de uma ferramenta de barra para o torneamento.1 Superfície de saída A γ Ponta de corte Aresta principal de corte S Aresta secundárial de corte S’ superfície principal de folga A α superfície secundária de folga A’ α Direção de avanço Figura 3. As ferramentas mostradas na Figura 3. A diferenciação entre elas é feita por meio dos ângulos da cunha cortante. • Sistema de referência efetivo. Os sistemas de referência são formados por um conjunto de planos definidos a partir das direções das velocidades de corte e efetiva de corte. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 26 . fabricação e controle da ferramenta de corte.2 permitem ilustrar essa afirmação.2 . Esses ângulos são definidos a partir de planos definidos dos chamados sistemas de referência da cunha cortante.2 . apresentados nesta seção. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte 3.Sistemas de Referência Utilizados para a Definição dos Ângulos da Cunha Cortante As definições das arestas e superfícies que compõem a cunha cortante não são suficientes para a determinação da geometria da ferramenta. São definidos dois sistemas de referência: • Sistema de referência da ferramenta.2 apresentam entre si diferenças significativas de geometria. Figura 3. As variações de geometria de ferramenta apresentadas na Figura 3. O sistema de referência efetivo é definido a partir da direção efetiva de corte e é utilizado no estudo da geometria da cunha cortante durante o corte. O sistema de referência da ferramenta é definido a partir da direção da velocidade de corte e é utilizado na fase projeto.Ferramentas de barra com diferentes geometrias. Direção de corte Plano de Referên cia (P ) r Figura 3.3.4 Representação esquemática do plano de corte da ferramenta. O plano de referência de uma ferramenta de barra é representado na Figura 3.1 .Representação esquemática do plano de referência da ferramenta. O plano de corte da ferramenta é representado na Figura 3. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte 3.4. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 27 .2. Plano de corte da ferramenta Ps: é o plano que passa pelo ponto de corte escolhido.Planos do Sistema de Referência da Ferramenta Plano de referência da ferramenta Pr: é o plano que passa pelo ponto de corte e é perpendicular à direção de corte. é tangente á aresta de corte nesse ponto e é perpendicular ao plano de referência da ferramenta.3 . ) de Corte (P s Plano Plano Plde anoRe de Ref ferênceriaên (Pcir )a (P ) r Figura 3. 5. O plano admitido de trabalho é representado na Figura 3. Direção de avanço Plano de referê n cia Plano admitido de trabalho (P ) f Figura 3. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte Plano ortogonal da ferramenta Po: é o plano que passa pelo ponto de corte escolhido e é perpendicular aos planos de referência Pr e de corte Ps.Representação esquemática do plano admitido de trabalho.6. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 28 . é perpendicular ao plano de referência e paralelo à direção de avanço. Plano admitido de trabalho Pf: é o plano que passa pelo ponto de corte escolhido. O plano de corte da ) de C orte (P s Plano Plano de Ortogon al (Po) ( P r) cia rên efe deR n o Pla ferramenta é representado na Figura 3.5 . Figura 3.Representação esquemática do plano ortogonal da ferramenta.6 . Direção de corte Direção de avanço Plano de trabalho (Pfe) Figura 3. conforme apresentado no capítulo 2. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 29 .Representação esquemática do plano de trabalho. Plano ortogonal à superfície de saída Pg: plano que passa pelo ponto de corte escolhido e é perpendicular à superfície de saída e ao plano de referência da ferramenta. O plano de trabalho é representado na Figura 3.7 . Plano dorsal da ferramenta Pp: plano que passa pelo ponto de corte escolhido e é perpendicular aos planos de referência e admitido de trabalho. Plano ortogonal à superfície de folga Pb: plano que passa pelo ponto de corte escolhido e é perpendicular à superfície de folga e ao plano de referência da ferramenta. São definidos ainda no sistema de referência da ferramenta: Plano normal à aresta de corte Pn: plano que passa pelo ponto de corte escolhido e é perpendicular à aresta de corte S. Nesse plano são realizados os movimentos responsáveis pela retirada de cavaco.7. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte Plano de trabalho Pfe: é o plano que passa pelo ponto de corte escolhido e contem as direções de corte e avanço. 8.2 .3. 3. de corte e ortogonal.Ângulos Medidos no Plano de Referência A vista do plano de referência de uma ferramenta de barra é apresentada na Figura 3. Plano de referência efetivo Pre: é o plano que passa pelo ponto de corte e é perpendicular à direção efetiva de corte. é tangente á aresta de corte nesse ponto e é perpendicular ao plano de referência efetivo. Nesta seção serão apresentados os sete principais ângulos. 3. Plano de corte efetivo Pse: é o plano que passa pelo ponto de corte escolhido. Plano ortogonal efetivo Poe: é o plano que passa pelo ponto de corte escolhido e é perpendicular aos planos de referência e de corte efetivos (Pre e Pse.Planos do Sistema de Referência Efetivo Os planos do sistema de referência efetivo são definidos de forma análoga à utilizada para a definição dos planos do sistema de referência da ferramenta. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 30 .2. Plano dorsal efetivo Ppe: plano que passa pelo ponto de corte escolhido e é perpendicular aos planos de referência efetivo e de trabalho.Principais Ângulos da Cunha Cortante A definição dos planos que servem de referência para a determinação dos ângulos da cunha cortante torna possível determinar os ângulos da cunha cortante. 3.1 .3 . respectivamente). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte Ângulo de posição do plano ortogonal á superfície de folga θr: ângulo entre o plano admitido de trabalho e o plano ortogonal. definidos nos planos de referência. medido no plano de referência da ferramenta. Ângulo de ponta da ferramenta (εr): ângulo entre o plano principal de corte Ps e o secundário de corte P’s. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte Sentido de Plano admitido de trabalho Pf observação χ’r χr Direção de corte εr Plano secundário Plano de Referênc de corte P’s ia (P ) r Plano principal de corte Ps Figura 3. É importante destacar que a denominação dos três ângulos recebe é acompanhada do índice “r” que indica que tais ângulos são medidos no plano de referência da ferramenta. No plano de referência são definidos três ângulos: Ângulo de posição da ferramenta (χr): ângulo entre o plano de corte da ferramenta Ps e o plano admitido de trabalho Pf.1) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 31 . de forma que seu vértice indica a ponta de corte. Ângulo de posição lateral da ferramenta (χ’r): ângulo entre o plano de plano de corte secundário da ferramenta P’s e o plano admitido de trabalho Pfe. Percebe-se ainda a seguinte relação entre os valores dos ângulos medidos no plano de referência da ferramenta: χr + εr + χ’r = 180o (3. medido no plano de referência da ferramenta.8 . medido no plano de referência da ferramenta. É sempre positivo e situa-se sempre fora da cunha cortante. Esse ângulo indica a posição da aresta de corte. medido no plano de referência.Ângulos medidos no plano de referência da ferramenta. O índice “s” indica que o ângulo é medido no plano de corte da ferramenta. No plano de corte é definido apenas o ângulo de inclinação.10 .9 . Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 32 . Diz-se que o ângulo de inclinação é negativo quando o plano de referência corta a cunha de corte da ferramenta.Representação esquemática do ângulo de inclinação positivo. Ângulo de inclinação (λs): ângulo entre a aresta de corte Ps e o plano de referência da ferramenta Pr. O ângulo de inclinação pode ser positivo. medido no plano de corte da ferramenta Ps.2 .9. λs > 0 λs < 0 λs = 0 Figura 3. O desenho esquemático da Figura 3. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte 3.3. Plano de referência λs e (P s) de Cort Plano Plano Pla denoRe de ferRe ênfer ciaên (Pcia r ) (Pr ) Sentido de observação Figura 3. nulo ou negativo. nulo ou negativo.10 permite a visualização das três situações.Ângulo medido no plano de corte Ps A vista do plano de corte da ferramenta é apresentada na Figura 3.Ângulo medido no plano de corte. 3 .12.11 Ângulos medidos no plano ortogonal O ângulo de saída pode assumir valores positivos. Para os ângulos medidos no plano ortogonal vale a relação: αo+βo+γo=90o (3. Essas três situações podem ser visualizadas no desenho esquemático da Figura 3. que são: Ângulo de folga da ferramenta (αo): ângulo entre a superfície de folga Aα e o plano de corte da ferramenta Os. Ângulo de saída da ferramenta (γo): ângulo entre a superfície de saída da ferramenta Aγ e o plano de referência da ferramenta Pr. Ângulo de cunha da ferramenta (βo): ângulo entre as superfícies de folga Aα e de saída Aγ da ferramenta. s Plano de Corte (P ) γo Plano de Ortogonal (P ) o ) r Plano de Plano de Referência (P Referência βo αo Sentido de observação Plano de corte Figura 3. nulos ou negativos.3. Nota-se que o ângulo de saída é negativo quando o plano de referência corta a cunha cortante da ferramenta.Ângulos medidos no plano ortogonal Po No plano ortogonal da ferramenta são definidos três ângulos.2) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 33 . A representação esquemática dos ângulos medidos no plano ortogonal da ferramenta é apresentada na Figura 3. medido no plano ortogonal da ferramenta Po. medido no plano ortogonal da ferramenta Po. medido no plano ortogonal da ferramenta.11. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte 3. nulo e negativo. da quantidade de calor gerado no corte e da velocidade de avanço adotada. • Valores elevados de αo implicam em perda de resistência da cunha da ferramenta.3.4 . • Pequenos valores de αo implicam em dificuldade de penetração da cunha cortante. no acabamento da peça e na quantidade de calor gerado. • A fixação do valor de γo é feita em função da resistência do material da peça e da ferramenta. 3. De modo geral os valores de αo variam de 2 a 14o. grande geração de calor e acabamento superficial ruim da peça usinada. • A determinação dos valores de αo é feita em função da resistência do material da ferramenta e do material da peça. • O aumento do valor de γo implica no decréscimo do trabalho de dobramento do cavaco. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 34 . desgaste acelerado. que se torna susceptível a lascamento ou quebras.Funções e Influência dos Principais Ângulos da Cunha Cortante Ângulo de folga (αo): • Evitar o atrito entre a peça e a superfície de folga da ferramenta. Ângulo de saída (γo): • Tem influência direta na força e na potência de usinagem. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte γo > 0 γo = 0 γo < 0 Figura 3.12 Representação esquemática do ângulo de saída positivo. que contribui para a redução das vibrações. com o inconveniente de provocar elevação das forças de usinagem e da potência de corte. tem como objetivo garantir a sua aplicabilidade para todas as ferramentas de corte. • Proteção da quina da ferramenta contra impactos. Ângulo de posição (χr): • Distribuição favorável de tensões no início e no final do corte. Cabe ressaltar que as mesmas definições podem ser aplicadas na definição dos ângulos da cunha cortante de ferramentas de corte mais complexas. • Atenuação de vibrações. As demonstrações desses ângulos foram feitas apenas em ferramentas de barra com o objetivo de facilitar a visualização. • Tem influência na direção de saída do cavaco. • Tem influência direta no valor do ângulo de ponta (εr). 3. • Responsável pela componente passiva da força de usinagem. As definições dos ângulos da cunha de corte são também realizadas no sistema de referência efetivo. O rigor das definições. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 35 . apresar de parecer dispensável quando se trata de ferramentas de torneamento. • De modo geral são utilizados valores de γo entre –10 e 30o. • Valores normalmente adotados na faixa de 30 a 90o.3. Ângulo de inclinação (λo): • Controle da direção de saída do cavaco.4 Considerações finais Neste capítulo foram definidos os principais ângulos da cunha cortante das ferramentas de corte. como brocas e fresas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Geometria das Ferramentas de Corte • Valores negativos de γo são empregados no corte de materiais de baixa usinabilidade e em cortes interrompidos. influenciando a resistência e a capacidade de dissipação de calor da ferramenta. • Valores entre – 4 e 4o são normalmente utilizados. Direção de corte Direção de avanço Direção do movimento de saída do cavaco Figura 4. Os fenômenos decorrentes do contato da ferramenta com a peça serão apresentados a partir deste Capítulo.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Capítulo 4 Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Os assuntos abordados nos Capítulos II e III apresentaram os fundamentos para o estudo da usinagem.1 – Exemplo de corte tridimensional. Antes de dar início ao estudo da formação do cavaco propriamente dita. que trata do processo de formação do cavaco e do estudo da interface cavaco-ferramenta.2. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . avanço e de saída do cavaco passem a fazer parte de um mesmo plano. Exemplos de corte ortogonal são apresentados na Figura 4. forças e tensões de usinagem. Nota-se que essas três direções não estão contidas um mesmo plano. é apresentada a definição do corte ortogonal.1 O Corte Ortogonal As direções de corte. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 36 .1. 4. interface cavaco-ferramenta. O corte ortogonal faz uma simplificação do corte na qual as direções dos movimentos de corte. de modo que o corte é denominado tridimensional. que tem por objetivo permitir simplificações no estudo dos fenômenos relacionados ao contato cavaco-ferramenta. como a formação do cavaco. avanço e do movimento de saída do cavaco para o torneamento cilíndrico são representadas na Figura 4. outras condições devem ser atendidas para que o corte seja considerado ortogonal: • A aresta de corte deve ser reta e perpendicular à direção de corte. deve ser pequena em relação á largura de corte b. avanço e de saída dos cavacos pertencem a um mesmo plano. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Os desenhos esquemáticos mostrados na Figura 4. • A espessura de corte h.2 – Exemplos de corte ortogonal. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 37 . • A aresta de corte deve ser maior que a largura de corte b. que é igual ao avanço.3 – Vista do plano de trabalho durante o corte ortogonal. Além das considerações relacionadas às direções.2 permitem a visualizar que as direções de corte. O desenho apresentado na Figura 4. h h’ Figura 4.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Direção de corte Direção de corte Direção de avanço Direção de avanço Direção do movimento de Direção do movimento de saída do cavaco saída do cavaco Figura 4.3 representa uma vista do plano de trabalho de uma ferramenta no corte ortogonal. As simplificações obtidas por meio do corte ortogonal facilitam a visualização dos fenômenos que ocorrem durante o corte.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta • A largura de corte b e a espessura do cavaco b’ devem ser idênticas. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 38 . caso seja isotrópico e não apresente defeitos. a máxima tensão ocorre em um plano a 45o de modo que o material sofre cisalhamento nessa região. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . F1 F2 F3 F1 F2 F3 I II III Figura 4. • O cavaco formado deve ser contínuo.4. 4.2 A Formação do Cavaco O desenho esquemático do ensaio de compressão é apresentado na Figura 4. O corpo de prova é submetido a esforços de compressão crescentes (F1 < F2 < F3) e inicialmente sofre deformações elásticas (I). De acordo com o diagrama de distribuição de tensões de cisalhamento. o corpo de prova rompe por cisalhamento. O aumento dos esforços de compressão prossegue até que seja atingido o limite de resistência ao cisalhamento do material e a partir daí o corpo de prova sofre deformações plásticas (II). sem formação de aresta postiça de corte. No instante em que o limite de resistência do material é atingido.4 Representação esquemática do ensaio de compressão. A partir de então tem início a quarta etapa. Após passar pela zona de cisalhamento primária o volume de referência é deformado e passa a assumir a configuração representada por “pqrs” no esquema da Figura 4.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Para o estudo da formação do cavaco. a zona de cisalhamento primária é representada por um plano perpendicular ao plano de trabalho. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . denominado plano de cisalhamento primário. a formação do cavaco.4. até sofrer ruptura por cisalhamento no ponto “O”. 1991). que é o movimento do cavaco sobre a superfície de saída da ferramenta. As tensões de compressão a que o volume de material é submetido crescem à medida que o volume de referência se aproxima da cunha de corte da ferramenta. Para efeito de simplificação.4. A região onde o material é cisalhado é denominada zona de cisalhamento primária. representada na Figura 4. localizado na ponta da ferramenta. indicado pelo seguimento “OD” na Figura 4. pode ser considerado um corpo de provas submetido a um ensaio de compressão. Figura 4. de modo que o material é submetido à deformação elástica e plástica.4. mostrado na Figura 4.4 Desenho representativo do processo de formação de cavaco (Trent. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 39 .5. o volume “klmn“. • Movimento do cavaco sobre a superfície da ferramenta. Ao entrar em contato com ferramenta. como indicado nas Figuras 4.5. o que faz com que a região de máxima tensão de cisalhamento nesta região ocorra em uma posição não mais a 45o. também representada na Figura 4. o material é submetido a esforços de compressão e de cisalhamento na direção paralela à superfície de saída da ferramenta.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Figura 4. A posição da região de máxima tensão de cisalhamento é indicada pelo chamado ângulo de cisalhamento (φ). 1991).5 Representação esquemática das zonas de cisalhamento primária e secundária (Trent. O material na zona de cisalhamento secundária exerce esforços de compressão sobre a zona de cisalhamento primária. • Deformação plástica. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . • Ruptura. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 40 .4 e 4. ou recalque.5. De modo resumido. a formação do cavaco consiste de quatro etapas que são: • Deformação elástica. A quarta etapa do ciclo distingue a formação do cavaco do processo de ruptura em ensaios de compressão. como ocorre nos ensaios de compressão. o que dá origem à chamada zona de cisalhamento secundária. Ferramenta Figura 4. às forças de usinagem e à vida das ferramentas. A região hachurada corresponde à zona de aderência que é seguida pela área delimitada pela linha tracejada.6 indica a localização dessas zonas. 4. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . mas também por estar relacionado às temperaturas. Os fenômenos que ocorrem na interface cavaco-ferramenta não são totalmente esclarecidos. A teoria mais aceita foi proposta por Trent (1963). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 41 . O desenho esquemático da Figura 4.6 Representação das zonas de aderência e escorregamento Trent (1991).Interface Cavaco-Ferramenta O estudo da interface cavaco-ferramenta se justifica não só por sua influência direta na formação do cavaco.3 . que assume a existência de uma zona de aderência e de uma zona de escorregamento na interface cavaco-ferramenta. Os fenômenos que ocorrem na interface da ferramenta e os seus efeitos sobre o ângulo de cisalhamento são detalhados nas seções a seguir.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta A medida do ângulo de cisalhamento é sempre menor que 45o e é tanto menor quanto maior for a resistência ao cisalhamento do material na zona de cisalhamento secundária. São identificados três regimes de atrito entre sólidos. Wallace e Boothroyd (1964). O regime III é aquele onde não existe superfície livre.7.1960). contestam a existência do regime II e afirmam que ocorre a transição brusca do regime I para III.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Apesar de não se ter conseguido provar a existência da zona de aderência. O regime I ocorre quando a área de contato efetiva entre os sólidos é muito menor que a área aparente (Ar << A). (1960) apresentaram os três regimes de atrito sólido por meio do diagrama da Figura 4. Figura 4. Trent (1991) ao analisar a raiz do cavaco após o corte ter sido interrompido abruptamente em um dispositivo denominado “quick stop” encontrou fortes evidências de sua existência. onde o coeficiente de atrito diminui com o aumento da carga. dependendo da área de contato efetiva entre as superfícies de contato. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 42 . A área de contato real equivale à área aparente (Ar = A). Nesse regime é válida a Lei de Atrito de Coulomb (µ=σ/τ = constante. existem fortes evidências de que ela ocorra. Shaw et al. onde σ e τ são as tensões normal e cisalhante presentes no contanto).7 – Representação dos três regimes de atrito sólido (Shaw. O regime II é o de transição entre I e III. Outra evidência da existência da zona de aderência está relacionada ao atrito em usinagem. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . pelo fato de o contato ocorrer apenas nas irregularidades das superfícies. comprimento da região de aderência e. a força total. a tensão normal é máxima na ponta da ferramenta e decresce exponencialmente até chegar a zero. Na região de aderência. As elevadas tensões de compressão na ponta da ferramenta e o fato de a tensão de cisalhamento não variar com a tensão normal indica que nas proximidades da ponta da ferramenta ocorre o contato total entre a raiz do cavaco e a superfície de saída da ferramenta. até chegar a zero. tangente à Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 43 . Ainda de acordo com o modelo. Dessa forma. Escorregamento Ferramenta Figura 4. O modelo de distribuição de tensões proposto por Zorev (1963). indica que a tensão de cisalhamento é constante nas proximidades da ponta da ferramenta e passa a decrescer a partir de um certo ponto. Onde: τst . Ar = A e prevalece o regime III. lf . Fundamentos da Usinagem dos Materiais . quando existe o contato total entre as superfícies a tensão cisalhante é constante e corresponde á tensão de cisalhamento do material de menor resistência.8.tensão cisalhante na região de aderência.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta De acordo com o modelo de atrito apresentado. lst .8 – Modelo de distribuição de tensões em usinagem proposto por Zorev (1963). mostrado na Figura 4.comprimento total das regiões de aderência e de escorregamento. Na região de escorregamento Ar << A vale o regime I. suave.2) A. A é a área de contato e HV é o valor da menor dureza entre os materiais em contato. A velocidade normalizada é a razão entre a velocidade de deslizamento e a velocidade da condução do calor e a carga normalizada é definida pela divisão do valor da carga normal aplicada pela área de contato e pela menor dureza entre os materiais em contado. prevalecendo apenas as condições de escorregamento. 1995).Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta superfície da ferramenta. impõe- se a necessidade de estudo criterioso de cada uma dessas condições.9 (Hutchings. A presença da zona de aderência pode ser ainda evidenciada por meio da análise da Figura 4.1) vtc Onde: vd é a velocidade de deslizamento e vtc é a velocidade de transferência de calor. onde é mostrado um diagrama de regimes de desgaste. Em determinadas condições especiais a zona de aderência pode ser suprimida. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . vd Velocidade normalizada = (4. Devido à existência de diferentes condições na interface cavaco-ferramenta. O diagrama foi obtido por meio de ensaios de desgaste pino sobre disco e define regiões de desgaste severo. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 44 . FN Carga normalizada = (4.HV Onde: FN é a carga normalizada. definida predominantemente pelo valor da carga normalizada. é dada pela soma das forças tangenciais que atuam em cada uma das regiões. definidos pela velocidade normalizada e pela carga normalizada. transição entre os dois regimes e uma região onde ocorre a adesão. b é a largura calculada do cavaco. 2003). (4. pode-se estimar o valor da força normal por meio da equação de Kienzle (Ferraresi.4). (2. em função do par ferramenta-peça e das condições de corte. 1977).3) Onde: Fc é a força de corte. apresentada a seguir: 1− z Fc = K s1 .Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta 10 I Adesão Carga normalizada 10-1 IV Severo II Severo 10-3 V Suave III Suave 10-5 10-2 1 104 Velocidade normalizada Figura 4. Tomando como exemplo o torneamento do aço AISI H10 (Costa. calculada pela eq.9. definida pela eq. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 45 .6). Fundamentos da Usinagem dos Materiais .b. Ks1 e 1-z são constantes determinadas por meio de gráfico.h (4. h é a espessura do cavaco. ap b= (4. Mapa de regime de desgaste obtido no ensaio pino sobre disco em corpos de prova de aço.4) sen χ r Onde: ap é a profundidade de corte. o que é um forte argumento para a existência da zona de aderência. Como de acordo com a Fig. (4. Como resultado obtém-se que a carga normalizada vale aproximadamente 3.104 mm. para o cálculo de Ks foi tomado o valor nominal da área de contato cavaco-ferramenta.5) A Onde A é a área de contato cavaco ferramenta.6 a área de aderência é apenas uma parcela da área total de contato.4) obtém-se: b = 0.1 mm e 75o. por meio da equação (4. Fc Ks = (4. Fundamentos da Usinagem dos Materiais .9.3) tem-se que: Fc = 21. ainda mais considerando que.5).1) na eq. Substituindo-se esses valores na eq. o valor real de Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 46 . respectivamente. Substituindo esses valores na eq. (4. (4. 1977).06 x 0. Os valores de profundidade de corte e do ângulo de posição adotados no exemplo foram 0. pode-se determinar a pressão específica de corte Ks.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta χr é o ângulo de posição.5. tem-se que valores de carga normal da ordem de grandeza 101 como a obtida no exemplo.5) tem-se: Ks = 3567 N/mm2 = 3567 MPa A carga normalizada é então calculada dividindo-se Ks pela dureza do material da peça. 4.84. Substituindo-se os valores de Fc e A (0. que no exemplo foi considerado 1000 HV. Ks1 = 2250 N/mm2 e 1-z = 0. Do diagrama da Figura 4. correspondem à região de adesão. Os valores de Ks1 e de 1-z foram obtidos considerando um material de características semelhantes às do material usinado (Ferraresi.4 N De posse do valor da força de corte Fc. a hipótese da existência de uma zona de aderência naquela região torna-se irrefutável. As elevadas temperaturas devido ao calor gerado pelas deformações plásticas não só governam os mecanismos e as condições de deformação da zona de aderência. a existência de uma zona de aderência na interface cavaco- ferramenta foi evidenciada por meio da análise de micrografias da raiz do cavaco (obtidas pela interrupção brusca do corte com um dispositivo “quick-stop”) de diversos materiais usinados com aço rápido e metal duro (Trent. a tensão normal é superior na ponta da ferramenta.08 mm. pelo fato de promovem ligações atômicas na interface. que corresponde ao regime III do atrito sólido. mas também influenciam diretamente os mecanismos de desgaste da ferramenta. Somando-se a isso o fato que. Ainda com base nessas micrografias percebe-se que o fluxo de material não ocorre na interface e sim em uma zona de cisalhamento intenso na parte inferior do cavaco com espessura entre 0. a tensão requerida para cisalhar o material a altas temperaturas e altas taxas de deformação é um fator muito importante na usinagem. 1963). Verificou-se a existência de contato íntimo do cavaco com a ferramenta ao longo de uma grande porção da interface ferramenta-peça. que foi denominada de zona de fluxo (Trent. até que no limite da zona de fluxo a velocidade de cisalhamento se iguala à velocidade de saída do cavaco. Trent (1988a. 4. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Com base nesse conceito.8. Nas micrografias apresentadas por Trent (1963) fica evidente que as condições de aderência podem também ocorrer na superfície de folga. A porção de material em contato com a superfície da ferramenta permanece estacionária e há um gradiente de velocidade ao longo da espessura.1 . desde que o desgaste de flanco elimine o ângulo efetivo de folga. As altas tensões de compressão. 1963). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 47 .Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Ks é superior ao calculado. Essa região foi denominada de zona de aderência. grandes quantidades de calor gerado.01 a 0. 4. de acordo com o modelo de Zorev mostrado na Fig.3. altas taxas de deformação e afinidades químicas entre os materiais da ferramenta e das peças são apontados como principais fatores que favorecem o surgimento da zona de aderência.Zona de aderência Como já mencionado. confinadas a uma zona de fluxo de espessura. Segundo Trent (1991). normalmente compreendida entre 10 a 100 µm. Esse é um valor estimado já que é praticamente impossível de se medir tais níveis de deformações a taxas de deformações da ordem de 104 s-1.10. 1988c) afirma que as condições de aderência devem ser assumidas como inevitáveis. Teoricamente. Segundo esse modelo. devido à rugosidade da superfície da ferramenta. Entretanto. as deformações cisalhantes no plano de cisalhamento primário são da ordem de 2 a 5. podendo atingir valores superiores a 100. Oa'b'X. onde oe vale 1/4 de Oa. a porção inicial do material OabX sofreu uma deformação Oa'b'X. apresentado na Figura 4. Dessas observações Trent (1991) propõe um modelo.Modelo de Deformação na zona de fluxo proposto por Trent (1991). nas bandas de cisalhamento adiabático na usinagem de titânio ("flow zone") as deformações são bem maiores.10 . a deformação cisalhante na zona de fluxo é inversamente proporcional à distância da superfície de saída. se deforma para Oe'''f'''X quando ele atinge o ponto Y. No ponto Y. podendo chegar a 8. o material OefX. mas o fluxo laminar é interrompido a poucos micrometros desta superfície. que é o dobro da deformação sofrida por ab. a deformação cisalhante seria infinita na superfície de saída da ferramenta. Da mesma forma. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . OcdX (metade de OabX) se deformou para Oc"d"X. A capacidade dos metais e ligas metálicas suportarem tais níveis de deformações cisalhantes sem se Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 48 . que é quatro vezes maior que a deformação sofrida por OabX quando este atinge o mesmo ponto. Figura 4. enquanto que o material no centro da porção inicial de material considerada.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta 1988b. Pela repetição deste processo. passa a decrescer e se estende até a região onde esta se anula.3 . segundo o modelo de Zorev. . O tamanho da APC não pode aumentar indefinidamente. Nessa região não ocorre a deformação observada na zona de fluxo e o regime de atrito observado encontra-se na região I do diagrama da Figura 4. ocorre durante a usinagem a baixas velocidades de corte. As deformações então continuam nas camadas adjacentes. Trent (1988b) explica este fenômeno da seguinte maneira: “.2 Zona de escorregamento A zona de escorregamento é localizada na periferia da zona de aderência e tem início na onde a tensão de cisalhamento. mais afastadas da interface..Tempo de usinagem. 4.3.7. para dentro do corpo Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 49 .Afinidade química entre os materiais da ferramenta e da peça. que até então estava acima da APC. .Condições atmosféricas. Aumenta-se assim o seu limite de escoamento e as tensões de cisalhamento são insuficientes para quebrar estas ligações.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta romperem é atribuída às altíssimas tensões de compressão presentes naquela região (Machado e Da Silva. 4. a partir de uma porção de material encruado que se posiciona entre a superfície de saída da ferramenta e o cavaco em formação. 1993). APC.Velocidade de corte.Aresta postiça de corte A formação da Aresta Postiça de Corte.. uma sucessão de camadas forma a APC”.3. a primeira camada de material que se une à ferramenta por meio de ligações atômicas e encrua-se. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . . as condições de escorregamento ou aderência dependem de: . Quando o seu tamanho atinge um valor no qual a tensão de cisalhamento é suficiente para mudar a zona de cisalhamento primária. até que elas também são suficientemente encruadas. Segundo Wright (1981). Milovik e Wallbank (1983).11.12. utilizando microscopia eletrônica e ótica. as condições necessárias para o surgimento da APC são a existência de uma segunda fase no material. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . entre os pontos A e B da Figura 4. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 50 . Isso explica a necessidade de segunda fase no material para se formar a APC. Figura 4. A faixa de velocidades de corte propensa ao surgimento da APC na usinagem de aços-carbono é mostrada no esquema da Figura 4.Aresta Postiça de Corte (Trent 1963). durante o cisalhamento.11 . encontraram várias microtrincas na zona de cisalhamento ao redor da APC. analisando a microestrutura da aresta postiça de corte. Resumindo. parte de sua estrutura é cisalhada e arrastada entre a superfície da peça e a superfície de folga da ferramenta. se deforma diferentemente da matriz. como observaram Williams e Rollanson (1970). Foi verificado que essas microtrincas eram responsáveis pela abertura das trincas nos pontos A e B e eram geradas pela presença de segunda fase no material que. que dá origem a um estado triaxial de tensões e que o corte seja realizado em uma faixa de velocidades de corte relativamente baixa. criando um estado triaxial de tensão que promove o aparecimento das microtrincas.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta desta. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . em conseqüência do aumento da velocidade de corte. A influência da velocidade de corte desta relacionada à temperatura na região de cisalhamento.4 . Com o aumento da temperatura.Ângulo de Cisalhamento e Grau de Recalque Na seção 4. como no ensaio de compressão. O ângulo entre o plano de corte e o plano de cisalhamento primário é denominado ângulo de cisalhamento e é representado pela letra φ. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 51 . 4. A razão entre a espessura do cavaco e a espessura de corte é definida como grau de recalque.2 foi citado que a diferença entre as deformações sofridas pelo material da peça durante a formação do cavado e as sofridas por um corpo de provas durante o ensaio de compressão é que na formação do cavaco existe uma quarta etapa que é o movimento do cavaco sobre a superfície de saída da ferramenta. A fato de o ângulo de cisalhamento ser menor que 45o.12 – Dimensões da APC em função da velocidade de corte para aços- carbono. faz com que a espessura do cavaco seja maior que a espessura de corte. a diferença de plasticidade entre as fases que compõem o material torna-se menor. O valor de φ é tanto menor quanto maior for a restrição do material na interface cavaco-ferramenta. A zona de aderência é responsável pelo surgimento de tensões de compressão na zona de cisalhamento primária e com isso a posição da máxima tensão de cisalhamento não fica posicionada a 45o em relação à vertical. o que diminui a tendência de formação de trincas devido ao estado triaxial de tensões. L H APCinstável APC estável APC APCinstável estável L L 60 vc a 70 m/min 2 a 4 m/min Figura 4.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta H. mas em uma posição que descreve um ângulo menor 45o. o cavaco pode ocupar um volume considerável. Nesse aspecto. vcav é a velocidade de saída do cavaco. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . A razão entre o volume ocupado pelo cavaco e o volume do material maciço com a mesma massa é denominado por fator de empacotamento. a obtenção de cavacos curtos em forma de lascas é preferível aos cavacos longos em forma de fitas. 4. à máquina-ferramenta e à integridade física do operador.1) h v cav Onde: vc a velocidade de corte. Quanto maior o valor de Rc (ou menor o valor de φ) maior a quantidade de deformação sofrida pelo material no plano de cisalhamento primário. A configuração do cavaco pode ser problemática em algumas situações por oferecer riscos de danos à peça.4 – Classificação dos Cavacos Em um produto obtido por processos de usinagem.2) Rc − sen γ n onde: γn é o ângulo de saída normal. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 52 .Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta h' v c Rc = = (4. Além disso. que pode ser obtido por meio da expressão: cos γ n tan φ = (4. A definição do grau de recalque facilita a determinação do ângulo de cisalhamento. o material é retirado em forma de cavacos. Os valores de φ e de Rc são indicadores da quantidade de deformação sofrida pelo material na zona de cisalhamento primária. parcialmente contínuo e descontínuo) depende da propagação da trinca que tem origem na ponta da ferramenta. Cavacos contínuos Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 53 . O tipo de cavaco (contínuo. denominada controle do cavaco. mostrada na Figura 4. os cavacos podem ser classificados em: a. b.13. Antes. B A Figura 4. c. porém de estudar o controle do cavaco é faz-se necessário classificar os cavacos. 4. A classificação dos cavacos pode ser feita levando-se em conta os tipos e as formas de cavacos. a.13 – Desenho esquemático do plano de cisalhamento primário. Cavacos parcialmente contínuos.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Os problemas relacionados à configuração dos cavacos podem atingir uma magnitude que venha a exigir a adoção de procedimentos específicos. ou em materiais com condutividade térmica relativamente elevada. Os cavacos segmentados são obtidos na usinagem de materiais de baixa condutividade térmica.1 – Classificação dos cavacos quanto ao tipo Quanto ao tipo. na posição A. Cavacos segmentados. Cavacos contínuos. d. desde sejam usinados em velocidades de corte elevadas comparadas à velocidade do fluxo de calor no material.4. Os três primeiros tipos de cavaco dependem da ductilidade do material da peça e das condições de corte. apresentados na seção a seguir. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Cavacos descontínuos. Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Os cavacos contínuos são obtidos na usinagem de materiais dúcteis. A presença de elevadas tensões de compressão à frente do ponto de abertura da trinca e pode suprimir a sua propagação. O resultado é um cavaco com aspecto serrilhado. Cavaco descontínuos Os cavacos descontínuos são típicos da usinagem de materiais frágeis. desde que usinados a baixas velocidades de corte. na ponta da ferramenta. Cavacos parcialmente contínuos Os cavacos parcialmente contínuos representam uma classe intermediária entre os cavacos contínuos e os descontínuos. Um campo de tensões de compressão atua sobre o plano de cisalhamento primário e a propagação da trinca é interrompida.12 se propaga até um ponto do plano de cisalhamento primário entre A e B. A trinca originada no ponto A da Figura 4. O primeiro está relacionado à energia elástica da ferramenta que pode não ser suficiente para garantir a propagação da trinca. c. ângulos de saída pequenos e grandes avanços. A intensidade da tensão de compressão sobre o plano de cisalhamento primário é influenciada pelo ângulo de cisalhamento φ. Dois fatores são apontados como possível causa da supressão da propagação da trinca. b. O material é tracionado e sofre ruptura no ponto A. O aumento da velocidade de corte tende a tornar o cavaco contínuo. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . O outro fator é relacionado às tensões de compressão que atuam sobre o plano de cisalhamento primário. que não suportam grandes deformações sem sofrerem fratura. que por sua vez depende das condições da interface cavaco-ferramenta. A ferramenta perde então o contato com o cavaco e a propagação da trinca é suprimida. Materiais com certa ductilidade podem apresentar cavacos descontínuos. o que faz com que o cavaco seja contínuo. devido à maior geração de calor que torna o material mais dúctil e também por tornar mais difícil a penetração Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 54 . Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta de contaminantes na interface e com isso reduzir a tensão de compressão no plano de cisalhamento primário. O calor gerado no plano de cisalhamento primário se propaga por condução para a peça e para o cavaco. o que provoca a redução da resistência ao cisalhamento. Na usinagem de materiais com baixa condutividade térmica. A queda de resistência ao cisalhamento do material faz com que ele continue a ser deformado. A B C D Figura 4. Cavaco segmentado As deformações no plano de cisalhamento primário provocam a elevação da temperatura naquela região. Fundamentos da Usinagem dos Materiais .14 – Formação do cavaco segmentado.14. o calor gerado no plano de cisalhamento primário tende a ficar concentrado naquela região. d. mesmo depois de deslocar-se para uma região de menor tensão de cisalhamento. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 55 . O ciclo de formação do cavaco segmentado é mostrado na figura 4. O ciclo se repete dando origem a bandas de cisalhamento. o que dá origem a um seguimento. • Cavaco helicoidal.2 Classificação dos cavacos quanto à forma Quanto à forma.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta A formação do cavaco segmentado tem início com a deformação do material no plano de cisalhamento primário (A).15. • Cavaco em espiral. • Cavaco em lascas ou pedaços. os cavacos são geralmente classificados em: • Cavaco em fita. 4.4. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 56 .15 – Classificação dos cavacos de acordo com a norma ISO 3685 (1987). A norma ISSO define uma classificação mais detalhada dos cavacos quanto à forma. como mostrado na figura 4. movimento do segmento sobre a superfície de saída da ferramenta e a formação de uma nova banda de cisalhamento (C) e a repetição do ciclo (D). Fundamentos da Usinagem dos Materiais . a rotação e o deslocamento do plano de cisalhamento primário (B). fragmentado Figura 4. conforme mostrado na Figura 4. 4. as forças de usinagem e a temperatura de corte.16 – influência do avanço e da profundidade de corte na forma dos cavacos. 1999): • Cavacos longos ocupam muito espaço em relação ao espaço ocupado por sólidos com a mesma massa. A geração de cavacos longos pode gerar problemas no processo relacionados ao (Machado e Silva. da ferramenta ou de componentes da máquina-ferramenta. • Podem comprometer o acabamento superficial da peça caso enrolem-se em torno dela.5 – Controle de Cavacos A geometria e a disposição dos cavacos pode ser problemática e até crítica na usinagem de materiais dúcteis. • Representam riscos para o operador caso venham se enrolarem em torno da peça. o que causa problemas de armazenamento. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Figura 4. • Podem afetar a vida das ferramentas.16. manuseio e descarte. principalmente em faixas elevadas de velocidade de corte.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Smith (1989) apresenta um diagrama que identifica a influência do avanço e da profundidade de corte na forma do cavaco. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 57 . O método tradicional de controle do cavaco é a utilização de quebra-cavacos. enquanto em cavacos em lascas ou pedaços esse valor é reduzido a 3 (Boothroyd. • Quebra-cavaco integral tipo I – anteparo. Os quebra-cavacos são classificados em: • Quebra-cavacos postiços. • Quebra-cavaco integral tipo II – cratera.Quebra-cavacos postiços B . Os quebra-cavacos são obstáculos localizados sobre a superfície de saída das ferramentas com o objetivo de forçar a sua curvatura.Quebra-cavaco integral tipo II – cratera Figura 4. O conjunto de problemas associados aos cavacos longos fez com que fossem desenvolvidas medidas para promover a sua quebra. R= massa do cavaco massa de um sólido de massa equivalente Cavacos contínuos e longos apresentam fator de empacotamento em torno de 50 ou superiores. 1981).Quebra-cavaco integral tipo I – anteparo C .17 – Tipos de quebra-cavacos. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 58 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais .Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta • Podem impedir o acesso regular do fluido de corte. A B C A . A razão entre o volume ocupado pelo cavaco e o volume de um sólido de massa equivalente é definida como fator de empacotamento (R). no sentido contrário ao da saída do cavaco. conforme seqüência mostrada na Figura 4.18 representa o método da desaceleração do avanço. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Um dos métodos consiste em variar a velocidade de avanço por meio de comandos no programa de máquinas CNC. Esse método apresentou resultados satisfatórios na usinagem de ligas de Titânio e de Níquel. que consiste na injeção de fluido de corte a alta pressão na superfície de saída da ferramenta.19 – Aplicação de jato de fluido a alta pressão com a finalidade de promover a quebra do cavaco (Machado.18 – Efeito da desaceleração do avanço na espessura do cavaco (Takatsuto. para 4. Figura 4. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 59 . 1990).Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Outros métodos para promover a quebra dos cavacos foram desenvolvidos e aplicados levaram a resultados satisfatórios. 1988) Outro método aplicado é conhecido como método hidráulico.7 quando foi utilizado o método.19. obtido na usinagem sem quebra-cavacos. O desenho esquemático da Figura 4. Figura 4. reduzindo o fator de empacotamento de 47. estudou a influência desses parâmetros no raio de curvatura natural do cavaco e os resultados obtidos são apresentados na Figura 4. Se a deformação sofrida pelo cavaco nesse estágio não for suficiente para causar a sua ruptura. nessa ordem. Observa-se que o raio de curvatura do cavaco aumenta com o aumento da profundidade de corte. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . o autor verificou que a profundidade de corte foi o parâmetro mais influente no raio de curvatura do cavaco. ao acabamento superficial da peça o procedimento mais recomendável é procurar diminuir o raio de curvatura do cavaco. Sales.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta A deformação sofrida pelo cavaco nos planos de cisalhamento primário e secundário é diretamente proporcional a h’/rc. por sua vez. do ângulo de saída e da velocidade de corte e diminui como o aumento do avanço. seguida pelo avanço. onde h’ é a espessura do cavaco e rc é o raio de curvatura do cavaco.20. Shaw (1986). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 60 . O método mais usual para reduzir o raio de curvatura do cavaco é o emprego dos quebra-cavacos. 1995. o ângulo de saída e a velocidade de corte foram. faz-se necessário aumentar a espessura do cavaco ou reduzir o raio de curvatura. porém condições de corte e a geometria da ferramenta também o influenciam. Como h’ está diretamente relacionado ao avanço e este. Com base em valores de sensibilidade adimensional. 5 1. f=0.5 3.5 2 1. γ=6 [º] 4 2. Fundamentos da Usinagem dos Materiais .5 3 2 rc [mm] rc [mm] 2.5 2 2.182 [mm/rot] .182 [mm/rot] . ap=2. (c) do ângulo de saída da ferramenta e (d) da velocidade de corte no raio de curvatura do cavaco (Sales.20 – Influência da profundidade de corte.2 0.Formação do Cavaco e Interface Cavaco-Ferramenta Vc=200 [m/min] .5 0.5 4 0 0. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 61 . 1995).5 [mm] . (b) do avanço. ap=2.5 2 2 rc [mm] rc [mm] 1. γ=6 [º] 3 2.5 3 3.5 1 1 1.5 2.3 0. f=0. γ=6 [º] Vc=200 [m/min] .182 [mm/rot] . ap=2.5 [mm] f=0.5 0 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 50 100 150 200 250 300 350 γ [º] Vc [m/min] c d Figura 4.5 1 1.1 0.5 [mm] .4 ap [mm] f [mm/rot] a b Vc=200 [m/min] . Ft . as componentes da força de usinagem nos processos de torneamento e fresamento. e também ser utilizada como parâmetro para controle adaptativo do processo. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 62 .Componentes da força de usinagem.força de apoio (projeção de Fu sobre o plano de trabalho). A Figura 5. Figura 5. com corte tridimensional.força de passiva. a) torneamento e b) fresamento. A força de usinagem pode ser responsável direta pelo colapso da ferramenta de corte por deformação plástica da aresta.1 mostra.força de corte. Pode também representar um índice de usinabilidade do material da peça.Forças de Usinagem O conhecimento das forças que agem na cunha cortante e o estudo de seus comportamentos são de grande importância. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Força e Potência de Corte Capítulo 5 Força e Potência de Corte 5.1 . Fp . De posse de suas grandezas. a potência requerida para executar o corte pode ser determinada. Ff .1 .força ativa. onde: Fap . além de influenciar diretamente no desenvolvimento de outros mecanismos e processos de desgaste. Fc .força de avanço. Fu . vc .Velocidade efetiva de corte. vf . b) Resistência ao cisalhamento do material da peça nesses planos. Com isso.força de usinagem. as componentes podem ser representadas pela Equação (4.1 . Se as condições da interface se apresentarem como uma restrição ao escoamento livre do cavaco. quanto maior a resistência do material da peça. Trent (1991) afirma que a força de usinagem é dependente de dois fatores principais: a) Áreas dos planos de cisalhamento primário e secundário.2). Segundo a notação vetorial. materiais extremamente dúcteis. a ação da ferramenta sobre a superfície inferior da cunha do cavaco tem que ser maior para vencer esta restrição (Machado e Da Silva.1. maior é a resistência ao cisalhamento nos planos de cisalhamento e maiores serão as forças de usinagem.força normal. Material da peça De uma maneira geral. ve . 1993). Muitos deles vão atuar nos dois sentidos e o resultado vai depender da predominância de um sobre o outro. qualquer parâmetro pode ser analisado com base nos seus efeitos sobre estes fatores. a).Velocidade de avanço. r r r r Fu = Fc + F f + F p (5.Fatores que Influenciam a Força de Usinagem Pode se afirmar que todos os fatores que contribuem para a movimentação livre do cavaco por sobre a superfície de saída atuam no sentido de diminuir a força de usinagem. como ferro e alumínio Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 63 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Força e Potência de Corte Fn .Velocidade de corte.1) 5. Entretanto. A área da seção de corte. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Força e Potência de Corte comercialmente puros.2 ilustra a influência destes parâmetros juntamente com a resistência do material da peça. podem alterar a área da seção de corte. Isso ocorre porque as áreas dos planos de cisalhamentos primário e secundário são aumentadas com o aumento dessas grandezas Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 64 . Material da ferramenta A afinidade química do material da ferramenta com o material da peça pode atuar. sem a presença da aresta postiça de corte. alterando a força de usinagem. A Figura 5. Avanço e profundidade de corte O aumento destes dois fatores causa um aumento da força de usinagem. diminuindo a força de usinagem. na faixa em que é utilizada em níveis industriais. principalmente. numa proporção direta. quase que linear. Se a tendência for produzir uma zona de aderência estável e forte. Pela maior geração de calor e conseqüente redução da resistência ao cisalhamento do material e pela ligeira redução na área de contato cavaco-ferramenta. b). a força de usinagem poderá ser aumentada. a área de contato poderá ser reduzida. Se a tendência for diminuir o atrito na interface. As. d). 1993). na área da seção de corte. Velocidade de corte A velocidade de corte apresenta pouca influência. existe uma tendência de redução da força de usinagem com o aumento da velocidade de corte (Machado e Da Silva. c). é definida pelo produto entre o avanço e a profundidade de corte. normalmente há um aumento da força de usinagem. também influencia a força de usinagem. Com isto. O ângulo de posição.3. χr. promove uma ligeira redução nas forças de usinagem. γ0. com a evolução do desgaste de cratera e de flanco. O seu aumento.2 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Força e Potência de Corte 2 Kg/mm Ff s Figura 5. f) estado de afiação da ferramenta O desgaste da ferramenta pode alterar a sua geometria. A influência destes ângulos é mostrada na Figura 5.Influência da seção de corte e da resistência do material da peça nas componentes da força de usinagem (Ferraresi. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 65 . Porém. e) Geometria da ferramenta O ângulo mais influente é o de saída. aumentando a força de usinagem. γ0. a sua evolução aumenta o ângulo de saída. o efeito maior deve- se ao aumento da área de contato com o cavaco ou com a peça. desde que o ângulo de posição lateral não se torne pequeno o suficiente para que a aresta lateral de corte entre em ação. Mas em situações em que o desgaste de cratera é predominante. reduzindo a força de corte. 1977). Uma redução deste tende a aumentar a área de contato e impor uma maior restrição ao escorregamento do cavaco por sobre a superfície de saída. há uma redução da área de contato e diminuição da força de usinagem. 5. Na forma direta. Um dinamômetro piezoelétrico é mostrado na Figura 5.Influência dos ângulos de saída (γ0) e de posição (χr) nas forças de usinagem (Ferraresi. pneumáticos e hidráulicos. mede-se o deslocamento de molas. utilizando-se meios de medida mecânicos.1. A evolução dos sistemas de medição de força de usinagem conduziu aos atuais dinamômetros piezelétricos. se prevalecer a refrigeração. Por meio de correlações previamente estabelecidas. 1977). sensibilidade e faixa de operação adequados às aplicações práticas e acadêmicas (Ballato. elétricos.4 Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 66 . 1977).Métodos de Medição da Força De Usinagem A medida da força de usinagem pode ser realizada de forma direta ou indireta.2 . h) uso de fluido de corte Se na ação do fluido predominar a lubrificação. Na forma indireta. 1995). na magneto-estricção ou na magneto-elasticidade (Ferraresi. o fluido pode aumentar a força de usinagem. com resolução. por promover um aumento da resistência ao cisalhamento do material nas zonas de cisalhamento. a força é medida baseado na piezoeletricidade. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Força e Potência de Corte r r r o Figura 5. Entretanto. devido a uma redução da temperatura. mede-se a força.3 . As forças de corte.3 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Força e Potência de Corte Figura 5. Além das forças de corte e de avanço. A componente FZ é responsável por cisalhar o material e a componente FNZ comprime o plano de cisalhamento primário e contribui para suprimir a propagação da trinca ao longo de sua extensão e. de avanço e a força de usinagem resultante para o corte ortogonal são mostradas na Figura 5. No corte ortogonal. 5.5.1. a força de usinagem é determinada pela soma vetorial das forças medidas nas direções de corte (força de corte) e de avanço (força de avanço). com isso.4 – Dinamômetro Piezoelétrico. contribuir para a formação do cavaco contínuo. As forças FZ e FNZ são as componentes da força de usinagem que atuam respectivamente nas direções tangencial e normal ao plano de cisalhamento primário. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 67 . a determinação de componentes da força de usinagem em outras direções também apresentam grande interesse prático. A determinação da força de usinagem (intensidade.Forças de Usinagem no Corte Ortogonal A força de usinagem é definida como a resultante das forças que a ferramenta exerce sobre a peça (ou que a peça exerce sobre a ferramenta). direção e sentido) é feita por meio da medição de suas componentes em direções conhecidas. que podem ser medidas com a utilização dos métodos apresentados na seção anterior. 6. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Força e Potência de Corte Fu Fc Ff Figura 5. φ FNZ Fu FZ Figura 5.6 – Representação das componentes FZ e FNZ da força de usinagem. Nesse caso a componente FT é a força de atrito no plano de cisalhamento secundário e a componente FN a força normal ao plano de cisalhamento secundário.5 – Representação das forças de corte e de avanço. As componentes FT e FN são representadas na figura 5. A representação esquemática das forças que atuam no plano de cisalhamento primário é mostrada na Figura 5. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 68 .7. As mesmas considerações podem ser feitas com relação ao plano de cisalhamento secundário. FN e a partir do ângulo de saída da ferramenta (γ). O Círculo de Merchant é mostrado na Figura 5.8. De posse dos valores dos ângulos de cisalhamento (φ) posiciona-se as componentes FT. Para a construção do Círculo de Merchant. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 69 . FZ e FNZ. As principais componentes da força de usinagem podem ser representadas por meio do CÍRCULO DE MERCHANT (Merchant. primeiro desloca-se a força de usinagem Fu para a ponta da ferramenta e depois constrói-se uma circunferência de modo que o vetor Fu corresponda ao seu diâmetro. 1954) e apresentado na Figura 5. Uma vez determinada a força de corte e conhecidos os ângulos de saída da ferramenta e de cisalhamento (determinado por meio da relação 4.1) as demais componentes podem ser determinadas.7 – Representação esquemática das componentes FT e FN da força de usinagem. posiciona-se as componentes. A partir das relações apresentadas pelo Círculo de Merchant pode-se decompor a força de usinagem nas principais direções e calcular o módulo dessas forças utilizando fundamentos de geometria ou de trigonometria.8. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Força e Potência de Corte Fu FN FT γ Figura 5. A determinação da força de usinagem é feita a partir da soma vetorial das forças de corte e de avanço. 1. é dada pela Equação 2.1. • Potência Efetiva de Corte (Ne). 5.Potência de Usinagem As potências de usinagem resultam dos respectivos produtos das componentes de força e de velocidade: • Potência de Corte (Nc). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Força e Potência de Corte φ Ff FNZ Fc FN Fu FT FZ γ Figura 5.8 – Círculo de Merchant.3: • Fc * vc Nc = CV (2.3) 60 * 75 Onde Fc Kgf e vc m/min. é dada pela equação 2.1. é dada pela equação 2.5: Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 70 .4) 1000 * 60 * 75 Onde Ff kgf e vf mm/min. • Potência de Avanço (Nf).2 .1.1.4: Ff * v f Nf = CV (2. calcula-se a potência efetiva.1. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 71 . Um sensor de corrente elétrica. De posse da corrente elétrica consumida pelo motor elétrico. é instalado na fonte de alimentação do motor elétrico responsável pelo suprimento de potência no eixo principal da máquina ferramenta.5) A potência consumida na operação de usinagem pode ser medida diretamente no motor elétrico da máquina operatriz. do tipo “hall”. As máquinas equipadas com comando numérico computadorizado. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Força e Potência de Corte Ne = Nc + Nc (2. y e z). normalmente apresentam motores individuais para os movimentos de corte (rotação do eixo árvore) e de avanços (eixos x. Isto permite a medição de diversas componentes da potência total. principalmente a velocidade de corte e o avanço. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem Capítulo 6 Temperatura de Usinagem Em usinagem. Somente uma pequena porcentagem (1 a 3%) fica retida no sistema como energia elástica ou é associada à geração de novas superfícies (peça e cavaco). A interface cavaco-ferramenta é praticamente inacessível o que torna os processos de medição um tanto imprecisos. na maioria dos casos. para o cavaco e para a ferramenta. Na Figura 6. 1963).1 são representadas as três zonas distintas de geração de calor durante a usinagem. Diante dos fatos apresentados. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 72 . Medir a temperatura de corte não é uma tarefa fácil. A porção de calor transmitida à ferramenta é mais problemática. A elevação da temperatura da ferramenta tem como conseqüência a redução da resistência à deformação plástica do material da ferramenta e a criação de condições favoráveis para os mecanismos de desgaste termicamente ativados. o que justifica a realização de trabalhos que buscam medir e avaliar as influências da temperatura no desempenho das ferramentas de corte. pode-se afirmar que a temperatura de corte é considerada uma das grandezas mais influentes nos processos de usinagem. modificar as suas propriedades. Em algumas situações o aquecimento da peça pode causar problemas dimensionais ou promover transformações de fase nas regiões próximas à superfície e. considerado benéfico pois implica em redução da tensão de cisalhamento do material. com isso. O aquecimento da peça durante a usinagem é. tendo em vista as condições dinâmicas do processo (Bickel. praticamente toda a energia consumida é convertida em energia térmica. As conseqüências da elevação da temperatura sobre a ferramenta de corte resultam na redução de sua vida e na limitação das condições de corte a serem adotadas. O calor é gerado nas zonas de cisalhamento e conduzido para a peça. O restante vai para a ferramenta de corte. zona C (também denominada por alguns autores como zona terciária). que pode chegar a 1100 C. Qa1 = calor gerado na zona de cisalhamento secundário. • zona de cisalhamento secundário. uma pequena porcentagem é dissipada pela peça e uma outra para o meio ambiente. Qa2 = calor gerado na zona de interface peça-superfície de folga da ferramenta.1 .Zonas de geração de calor em usinagem. Grande parte do calor gerado é dissipado pelo cavaco. São elas: • zona de cisalhamento primário.1) onde. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 73 . A equação de balanço energético fica: Qz + Qa1 + Qa2 = Qc + Qp + Qma + Qf (6. zona A. o que compromete fortemente a resistência da ferramenta. ela é responsável pela elevação da o temperatura. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem Figura 6. • zona de interface entre a peça e a superfície de folga da ferramenta. zona B. Apesar de a parcela do calor que é transmitida à ferramenta representar apenas 8 a 10% do total. Qz = calor gerado na zona de cisalhamento primário. 1999). A seguir são apresentadas as principais zonas de geração de calor. c. O aumento de temperatura no cavaco.1.2) J. ∆θc tende a ficar constante com vc (Trent e Wright. esse aumento de temperatura. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem Qc = calor dissipado pelo cavaco. mas a faixa normal de temperatura do cavaco. ρ = massa específica do material da peça. Qma = calor dissipado pelo meio ambiente. Calor Gerado na Zona de Cisalhamento Primário A maior parte do calor gerado na zona de cisalhamento primário é dissipada pelo cavaco. b onde: J = equivalente mecânico de calor. embora M diminui com o aumento de vc. Quanto ao aumento da temperatura do cavaco devido ao calor Qz. e aumenta a sua temperatura. h. 1981): (1 − M)[Fc − Ff tan( φ) ] ∆θc = (6. Qf = calor dissipado pela ferramenta de corte. entretanto. 6. é transmitida para a peça por condução. Qp = calor dissipado pela peça. mas uma pequena fração M. A temperatura no cavaco pode chegar a 650o C quando usinando ações endurecidos e algumas ligas de níquel. depende da rotação (aumentando com o aumento da mesma). e do número de revoluções após o corte ter iniciado (a peça é aquecida pelos cortes precedentes e isto afeta o aumento da temperatura no corte subsequente). existe um método que permite um cálculo aproximado (Boothroyd. A altas velocidades. não é muito influenciado pela velocidade de corte. ρ. c = calor específico do material da peça. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 74 . podendo às vezes causar problemas de precisão dimensional. ∆θp. ∆θc. sob certas condições de corte. Segundo Nakayama (1956). portanto. 1999). para cada par ferramenta- peça. e portanto. A temperatura do cavaco tem pouca influência na temperatura da ferramenta. a temperatura da ferramenta depende da quantidade de trabalho realizado para cisalhar o material e da quantidade de material que passa pela zona de fluxo. A temperatura da interface cavaco-ferramenta aumenta com a velocidade de corte. 1999). As altas temperaturas nas ferramentas de corte não só aceleram os mecanismos de desgaste termicamente ativados. quando na usinagem de materiais duros e de alto ponto de fusão. Tais exuberantes quantidades de deformações sem promover encruamento do material na mesma proporção. que Trent (1988) afirmou ser irrealista tentar calcular o aumento de temperatura naquela região. como o alumínio e o magnésio. ações. pois o tempo com que uma pequena porção do cavaco (lamela) passa sobre a superfície de saída da ferramenta. A temperatura da ferramenta pode não representar grande problema na usinagem de materiais macios e de baixo ponto de fusão. na presença da zona de fluxo na zona de cisalhamento secundário. é muito pequeno (poucos milisegundos) para conduzir calor (Trent e Wright. ligas de níquel e ligas de titânio. A temperatura na zona de fluxo. Além disso. com o presente estado de conhecimento dos fenômenos envolvidos.6. e não o contrário. haverá ali o desenvolvimento de temperaturas bem maiores que as temperaturas do cavaco. Na presença da zona de fluxo. a quantidade e a taxa de deformação é tão alta e complexa. e isto varia com o material da peça (Trent e Wright. Temperaturas da ordem de 1000o C na interface Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 75 . mas se torna o fator controlador da taxa de remoção de material. mas também reduzem o limite de escoamento dessas ferramentas. Assim. Haverá. o calor fluirá da zona de fluxo em direção ao cavaco. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem quando usinando aços e outros materiais comuns é de 200o C a 350o C (Trent e Wright. um limite prático na velocidade de corte. 1999). 6. só podem ocorrer com o amolecimento adiabático causado pelo aumento da temperatura. Calor Gerado na Zona de Cisalhamento Secundária Esta é a fonte de calor que mais influencia as temperaturas da ferramenta de corte. como ferros fundidos. em função da velocidade de corte. maior a temperatura da interface cavaco- ferramenta. portanto. e apesar de se conhecer muito pouco sobre a influência dos elementos de liga e mudanças microestruturais nas bandas de cisalhamento termoplásticos. para certos materiais. Quanto maior o ponto de fusão deste elemento. Trent (1988) enumerou pelo menos três parâmetros metalúrgicos que influenciam a temperatura da ferramenta: • Ponto de fusão do principal elemento químico do material da peça. constitui uma fonte efetiva de calor. as condições da interface cavaco-ferramenta (aderência. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 76 . Na Figura 6.2 mostra-se a temperatura máxima da interface cavaco-ferramenta (e portanto a temperatura máxima na superfície de saída da ferramenta) na usinagem de vários materiais com ferramentas de aço rápido. A zona de fluxo. • Elementos de liga que aumentam a resistência do material da peça. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem cavaco-ferramenta podem ser encontrados e as ferramentas de corte têm que estar preparadas para suportarem estas temperaturas durante o corte. para qualquer velocidade de corte. Eles aumentam a temperatura da interface para qualquer taxa de remoção de material. escorregamento ou aresta postiça de corte) devem ser assumidas como os fatores mais importantes a serem considerados na influência sobre a temperatura da ferramenta de corte. Pode-se observar temperaturas bastantes elevadas em velocidades de corte bem baixas. Segundo Trent (1991). Elas podem reduzir a temperatura. • Presença de fases de baixa resistência ao cisalhamento na interface (tais como MnS e grafita). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem Figura 6.5. 6. a interface peça-superfície de folga da ferramenta se torna a terceira fonte importante de geração de calor.2 . a análise é similar à zona de cisalhamento secundário. 1999).4. Medição da Temperatura de Usinagem Existem atualmente na literatura vários modelos físicos juntamente com métodos matemáticos e computacionais tem sido usados para calcular a temperatura de Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 77 . 1999). 6. que pode levar a ferramenta de corte ao colapso (Trent e Wright. o que promove altas temperaturas na superfície de folga. com a presença da zona de fluxo. medido na superfície de folga da ferramenta) atingir proporções consideráveis.Temperaturas máximas da interface cavaco-ferramenta em função da velocidade de corte (Trent e Wright. Neste caso. 1999 e Machado e Da Silva. Calor Gerado na Zona de Interface entre a Peça e a Superfície de Folga da Ferramenta Se a usinagem ocorrer com ângulos de folga pequenos (αo < 1o) ou se o desgaste de flanco (VBB. desenvolvido por Trent (1991). a distribuição de temperatura foi determinada numa seção transversal Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 78 . 1977 e Shaw. Por meio do método de “medição por técnicas metalográficas”. • Técnicas de problemas inversos (Tay et al. o princípio de medição utilizado pelos vários métodos pode ser resumido em (Ferraresi. • Medição indireta por meio de vernizes térmicos. e os cavacos caem no reservatório com temperatura conhecida. • Medição por técnicas metalográficas (Wright e Trent. 1996). • Medição direta por inserção de termopares na ferramenta de corte. 1984): • Método calorimétrico. Medição por Técnicas Metalográficas O método consiste em submeter as ferramentas de aço-rápido a testes de usinagem e em seguida a uma análise metalográfica com o objetivo de relacionar alterações da microestrutura do material com a temperatura necessária para que ocorram as transformações observadas. para garantir a quebra do cavaco. pesa-se o cavaco após secagem e através de equações calorimétricas determina-se a temperatura média do cavaco no instante em que atingiu a água. 1998). Basicamente. • Pós químicos. • Medição da energia de radiação na faixa do espectro infravermelho. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem usinagem. Para isto mede-se a massa e temperatura inicial da água. Método Calorimétrico Este método é utilizado para medir a temperatura média do cavaco utilizando-se um calorímetro de água. • Deposição de filmes PVD (Kato et al.. • Medição da força termoelétrica entre a ferramenta e a peça (método termopar ferramenta-peça). Mede-se a temperatura atingida pela água depois de determinado tempo. usina-se a peça com rasgos axiais. 1974 e De Melo. 1973).. Os resultados são apresentados na Figura 6.25 mm/rev e várias velocidades de corte (Trent e Wright. há Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 79 .3 . O método de medição por técnicas metalográficas apresenta como vantagens o fato de os testes serem realizados com a ferramenta em condições normais de utilização e a confiabilidade dos resultados. Segundo essa lei. após usinar aço de baixo carbono por 30s. 1999). Observa-se que a máxima temperatura ocorre à determinada distância da aresta principal de corte e que elas crescem com o aumento da velocidade de corte. com avanço de 0. O sistema de medição por este método baseia-se no efeito "Seebeck" ou “Peltier”. se dois materiais metálicos forem unidos por um terceiro e submetidos a uma temperatura diferente da extremidade não unida. Método Termopar Ferramenta-Peça Atualmente o método mais difundido é o do termopar ferramenta-peça. Como limitações. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem à aresta principal de corte da ferramenta. pode-se citar que o método só é aplicável em ferramentas de aço-rápido e requer trabalho exaustivo para a revelação da microestrutura Figura 6. que descreve a lei dos termopares.3.Distribuição de temperatura na ferramenta de corte. após usinar uma peça de aço de baixo carbono sob diversas velocidade de corte. fluindo no circuito contínuo dos dois metais diferentes.e. isto é. no caso em que t>t0. dispostos de modo a formarem um circuito. a densidade de elétrons livres é função da temperatura (t). como também a disponibilidade de elétrons livres é diferente em diferentes metais. o fluxo de elétrons tende a se estabilizar em uma determinada direção.m térmica é chamado termopar ou transdutor termelétrico. pelos baixos custos envolvidos e também pela sua sensibilidade que está em torno de ± 20 ºC que.e.5). é chamada de corrente termelétrica e a f. Circuito termelétrico construído de fios de diferentes materiais. O dispositivo que produz esta f. Para a melhor compreensão do método. como mostra a Figura 6.e. Doebelin. ou seja. a descoberta do seguinte fenômeno: por dois metais. Este método.4.m. 1990). em 1821. pela junção 1 passam do material A para o material B e deste um maior número passa para o material A. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem a geração de uma força eletro-motriz proporcional à diferença de temperatura entre as juntas quente e fria do par metálico (Shaw. Figura 6.m.4. (força eletromotriz) causada pela diferença de temperatura entre as duas junções. pode ser explicado pela teoria dos elétrons livres nos metais. embora aparentemente simples ainda é o mais utilizado. e com as junções mantidas a temperaturas diferentes. Termopares Deve-se a Seebek.e. é considerada adequada. O fenômeno da f. Assim estes elétrons fluem através das junções (Figura 6. flui uma corrente entre essas junções. t>t0 O fenômeno do aparecimento de uma corrente de baixa intensidade. térmica. comparada às temperaturas médias da interface cavaco-ferramenta. é chamada de f. O campo elétrico gerado na junção provoca uma limitação na passagem dos elétrons e com isso. 1984. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 80 . o princípio de funcionamento dos termopares é apresentado a seguir.m. A extensão dos metais (fios) podem também se encontrar a temperaturas diferentes. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem A f. não se tem interesse por esse procedimento.m.t0) = eAB(t) + eBA(t0) (6.3. O método utilizado Em usinagem a junta quente do par metálico é estabelecida na interface cavaco- ferramenta e a junta fria é estabelecida de forma que opere à temperatura ambiente. O termopar é o sensor ideal para a medida de temperatura. Neste caso os dois materiais devem conduzir eletricidade. experimentalmente.5. Este método mede a temperatura média na interface cavaco-ferramenta e não a máxima temperatura na interface (Agapiou e Devries.e.5 mostra-se esquematicamente a montagem experimental utilizada. 1990).m. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 81 . porque pode ser instalado nos locais de difícil acesso onde.3) A não homogeneidade dos metais A e B e a flutuação do campo térmico da junção de referência 2. Um dos componentes do termopar é a peça e o outro a ferramenta. possa ser determinada teórica e experimentalmente. Na prática são adquiridos fios de termopar e a partir deste material são fabricados os sensores e levantadas as curvas de calibração. térmica gerada no circuito mostrado na Figura 6. é dada por: eAB = f(t) (6. Na Figura 6. para uma leitura direta. Esses fatores levam a que se escreva a equação geral do termopar: EAB(t.e. seria impossível colocar um termômetro de bulbo de mercúrio como. no interior de um duto onde circula um fluido a alta pressão. da Equação 6.4) Embora a função f(t). introduzirão distorções no resultado da f. 7 mostram-se resultados experimentais obtidos por meio deste método e no caso. • Inicia-se o processo de usinagem até que este entre em regime (cerca de milésimos de segundos). Na Figuras 6. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 82 . • Os dados são tratados e obtém-se a temperatura de acordo com a ddp gerada pelo termopar ferramenta-peça. o foco da avaliação era a avaliação do desempenho de fluidos de corte no torneamento. O processamento dos dados nesta montagem se dá na seguinte seqüência: • A peça é presa ao torno de modo que se tenha um perfeito isolamento entre esta e o torno. • Inicia-se a coleta de dados com tempo e taxa de amostragem pré-determinados. etc). profundidade.Esquema da montagem feita para realização dos testes. • torno é ajustado às condições desejadas (velocidade de corte.6 e 6.5 . avanço. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem Isolamento Peça ABNT 4140 Ferramenta Metal Duro / Aço Rápido Sensor de Temperatura Mancal de infravermelho mercúrio Ligado ao microcomputador Amplificador de sinais Microcomputador com placa de aquisição de dados Figura 6. 1999).5% SINTÉTICO 2 . com os fluidos a 10%. medida pelo método do termopar ferramenta-peça (Sales.Temperatura de usinagem. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 83 . 1999). 1000 f = 0.Temperatura de usinagem com os fluidos a 5%. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem f = 0.10% ÁGUA SINTÉTIC0 1 .10% SINTÉTICO 2 .079 mm/rev Sintético1 1200 ap = 1 mm 1000 Sintético2 Temperatura [ºC] Água 800 600 400 Seco Integral Emulsionável 200 0 24 61 154 244 Velocidade de Corte [m/min] SECO INTEGRAL EMULSIONÁVEL .6 .5% ÁGUA SINTÉTICO 1 .079 mm/rev Sintético1 ap = 1 mm 800 Água Temperatura [ºC] 600 Emulsionável Sintético2 400 Integral Seco 200 0 24 61 154 244 Velocidade de Corte [m/min] SECO INTEGRAL EMULSIONÁVEL .5% Figura 6. medida pelo método do termopar ferramenta-peça (Sales.7 .10% Figura 6. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem Método Termopar Inserido na Ferramenta Por meio deste método pode-se realizar a medição da temperatura em qualquer ponto da ferramenta. Método da Irradiação Térmica Este método consiste em medir a irradiação térmica emitida por uma pequena área do cavaco ou da ponta da ferramenta.8 . Fazendo-se com que esta radiação. podendo este ser realizado com um lápis térmico. e após o processo identifica- se a temperatura atingida pela ferramenta em determinados locais de acordo com a cor do verniz aplicado. através dos quais são inseridos termopares (Figura 6. Este material é então aplicado como um revestimento na ferramenta de corte. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 84 . Figura 6. através de um sistema de lentes. O procedimento consiste na realização de pequenos furos na ferramenta por eletro-erosão com diâmetros de dimensões mínimas.Método termopar inserido na ferramenta. Método Vernizes Térmicos A concepção deste método é possível devido à propriedade de alguns materiais variarem sua cor para uma tonalidade específica de acordo com a temperatura que atingiram. seja focada em um sensor que possa identificar a qual temperatura deveria estar o corpo com aquela composição para irradiar tal energia. de modo a não comprometer a resistência da ferramenta.8). As superfícies obtidas são umedecidas com solução de silicato de sódio com o objetivo de facilitar a adesão do sal. O desenho esquemático da montagem experimental é apresentado na Figura 6. A repetição do procedimento com a utilização de sais de diferentes naturezas permite determinar uma série de isotermas que correspondem à distribuição da temperatura na superfície da ferramenta. Peça Superfície dividida Figura 6. As duas partes são unidas e tem início a etapa de usinagem. CdCl. que tem duração suficiente para que o sistema entre em regime. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 85 . por meio da deposição de sais com ponto de fusão conhecidos. O limite entre essas duas regiões descreve uma isoterma em que a temperatura corresponde ao ponto de fusão do sal. que são usinadas por abrasão até atingirem metade de sua largura original. A ferramenta é dividida por meio de duas ferramentas semelhantes.9 – Representação esquemática do método de determinação da distribuição de temperaturas com utilização de sais.9. KCl. A ferramenta de corte é dividida ao meio segundo um plano perpendicular ao plano de referência e à aresta principal de corte (Kato et al. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem Medição Utilizando Pós Químicos Esta técnica permite visualizar a distribuição de temperaturas em uma seção da ferramenta de corte. PbCl2.). como o NaCl. AgCl e KNO3. As partes da ferramenta são separadas e observa-se duas regiões uma em que o sal passou pelo processo de fusão e outra em que ele permaneceu no estado sólido. que é distribuído sobre a superfície. 1997). Medição da Temperatura por meio da Técnica de Métodos Inversos A técnica tem por objetivo estimar a temperatura em diferentes pontos da ferramenta. descrito na seção anterior.10. exercer menor influência na distribuição de temperatura. Zona de filme fundido Zona de filme não fundido Figura 7. porém os filmes possuem topografia mais suave que os sais. a partir da temperatura medida com a utilização de termopares dispostos em posições conhecidas da ferramenta (Melo. com isso. Esse procedimento torna a medição mais complexa.10 Identificação das zonas de filme fundido e não fundido em ferramenta utilizada no método dos filmes PVD para medição de temperatura. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Temperatura de Usinagem Método Utilizando a Deposição de Filmes PVD Este método é possui muitas semelhanças com método que utiliza a deposição de sais. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 86 . A diferença e que em vez de sais são depositados filmes de materiais puros pelo processo de deposição física (PVD). A fronteira entre as regiões de filme fundido e não fundido é apresentada na Figura 7. o que faz com que a área real de contato entre as metades da ferramenta seja maior e. Características finais do produto. Processo de usinagem. controles durante o processo (in process). Tipo de cavaco gerado pelo material a ser usinado. são listadas as principais propriedades que o material da ferramenta deve possuir. Parâmetros de usinagens como velocidade e profundidade de corte e avanço. acabamento ou desbaste. • Boas propriedades mecânicas e térmicas. • Baixo índice de expansão volumétrica. Forma e dimensão da ferramenta. • Alta dureza (principalmente à quente). lubrificação do corte. • Boa condutividade térmica. sempre se buscará um material alternativo de menor custo. Abaixo. sistema de refrigeração das ferramentas. tais como: qualidade superficial e dimensional requerida. ou seja. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Capítulo 7 Materiais para Ferramentas de Corte A seleção do material de ferramenta a ser empregado é feita com base em uma série de fatores. porém em função da aplicação uma ou mais propriedades devem se destacar em relação às outras. O custo do material da ferramenta é fundamental para a escolha do mesmo. isto é muito importante principalmente para a dureza a quente do material. Marcondes (1999) e Machado e Da Silva (1999) consideram mais relevantes: Dureza do material a ser usinado. Diniz et al. • Alta resistência a compressão e ao cisalhamento. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 87 . tempo de ciclo. potência. • Alta resistência ao desgaste. corte interrompido (fresamento). • Tenacidade (suficiente para evitar falhas por rupturas). (1999). Trent e Wright (1999). Abaixo são apresentados os critérios que Shaw (1984). ou seja. corte contínuo (torneamento). Condições da máquina em termos de rigidez (sem folgas/vibrações) . mas ele próprio deve destacar as propriedades mais importantes de acordo com o tipo de aplicação. H. À medida que se desce na lista. • Ser inerte quimicamente. O grande número de ferramentas existentes no mercado torna difícil a escolha e aumenta a complexidade do processo de seleção.Cr) Aço Rápido Aço Semi-Rápido (Baixo W) Aumento da tenacidade Aço Rápido (com e sem revestimento) Aço Super -Rápido (elevado teor de V) Ligas Fundidas Metal Duro (com e sem revestimentos) Classes : P. conforme esquematizado na Figura 7.1 – Quadro demonstrativo dos materiais para ferramentas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte • Alta resistência ao choque térmico. • Alta resistência ao impacto. O material Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 88 .K. ganha-se em dureza (ou resistência ao desgaste) e perde-se em tenacidade. Machado e Da Silva (1999). e vice-versa. N. O projetista de ferramentas deve considerar todas as propriedades já listadas. M . S Cermets (com ou sem revestimento) Cerâmicas (com ou sem revestimento) Ultraduros: CBN-PCBN Diamante Sintético (PCD) Diamante Natural Figura 7. Aço CarbonoComum Aumento de dureza e resistência ao desgaste Com elementos de ligas (V.1. apresentam os materiais para ferramentas de corte existentes hoje no mercado mundial em ordem cronológica. ao Mo. 7. os aços carbono eram aplicados na usinagem de aços mais “moles” e de outros não ferrosos. ao W-Co.7 a 1. dando um grande aumento na produtividade.Aços Carbono e Aços Liga (Ferraresi.11% Mn. Com o aparecimento de materiais mais resistentes. comparando com os materiais das ferramentas da chamada terceira geração. 1999) O primeiro grande impulso causado nos materiais de ferramentas aconteceu na virada do último século. contendo 0. eles poderiam ser chamados de “aços-devagar” ou “aços- molengões”. enquanto os novos materiais aumentaram essas velocidades para valores até 25 m/min.1 . 1999) Na primeira parte do século passado os aços comuns ao carbono e. Hoje.47% Cr. 18. Os aços comercialmente disponíveis com teores de Co entre 8 e 12% Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 89 . eram os únicos materiais de ferramentas disponíveis. a tenacidade do aço- rápido e a inércia química da alumina (Al2O3). 7. Exatamente por isso. como o cobre e suas ligas.2 . estes aços levaram este nome. Comercialmente encontra-se aços classificados segundo a sua formulação básica: ao W. mais tarde os aços de baixa e média liga (que foram introduzidas por Müshet em 1868). O maior problema é que eles perdem a dureza quanto aquecidos a temperaturas superiores à de revestimento (de 300o a 600o C). 0.2 %C e altamente ligados.91% W. 5. Mo.Aços-Rápidos (Ferraresi. Além destes. formadores de carbonetos são: W. Os HSS são aços de teores de carbono entre ~0. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte perfeito seria aquele que tivesse a dureza do diamante natural. a desejada dureza a quente. 1977 e Machado e Da Silva. Na época. Os carbonetos formados são extremamente duros o que confere ao aço elevadas resistências ao escoamento e à tração e além disso. à velocidades de corte não superiores a 5 m/min. o Co também é adicionado frequentemente. ao Mo-Co e ao W-Mo-Co. logo foram substituídos.29% V e apropriado tratamento térmico. no ajuste de peças. quando Taylor e White desenvolveram o primeiro aço- rápido. V e Cr. 0. Os principais elementos químicos.67% C. Seu surgimento revolucionou a prática de usinagem naquela época. embora ainda hoje sejam utilizados em aplicações de baixíssimas velocidade de corte. 1977 e Machado e Da Silva. as propriedades destes materiais foram melhoradas. com cada um tendo sua aplicação ótima. já há quase um século depois de descobertos.Chemical Vapour Deposition e PVD . pelas iniciais da literatura inglesa por HSS (High Speed Steel). Encontra-se no mercado um variado grupo de aço-rápidos. o Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 90 . Por outro lado o processo PVD faz a deposição da camada a temperaturas mais baixas (500o a 600o C e recentemente até inferiores a 2000C). HfN ou Al2O3 aplicadas nas ferramentas pelos processos CVD . matrizes e até ferramentas de barras para aplicações em torneamentos de peças de diâmetros reduzidos. em muitos casos mostrou se eficaz e noutros inúmeros. TiC. principalmente de TiC e TiN. que vem apresentando bons resultados em brocas e fresas caracóis. mas efeito similar pode ser obtido com a adição de W e/ou V. eles ainda sobrevivem no meio de vários outros grupos com fantásticas propriedades. o que provoca alterações metalúrgicas nos aços rápidos. o que facilita a sua aplicação. Com o passar dos anos. Recentemente.Physical Vapour Deposition. apesar de que se tem obtido algum sucesso com TiN a temperaturas mais baixas. fresas. cossinetes. intercaladas e sobrepostas. brochas. O processo CVD exige que as ferramentas sejam aquecidas a temperaturas elevadas (próximas a 1000o C). micro ou nanométricas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte são. chegando-se à perfeita combinação dos elementos de liga ao domínio do processo de tratamento térmico. A grande vedete dos revestimentos surgiu comercialmente no início desta década. cuja velocidade de corte conseguida é inferior à velocidade econômica de corte dos materiais de ferramentas mais resistentes. As qualidades deste grupo de materiais são tão grandes que mesmo hoje. Ferramentas de Aço-Rápido Revestidas São camadas de TiN. Dois grandes avanços foram conseguidos nos anos 70 e merecem destaque: a. Normalmente esses materiais são especificados. que é a aplicação de multicamadas. As aplicações dos aço-rápidos são principalmente em brocas. A prática vem contrariando aqueles que acham que os aços-rápidos estão ultrapassados. para efeito de marketing denominados como aços de elevada dureza a quente. surgiram os recobrimentos de TiNAl. Esse novo conceito. São ferramentas a base de Co. Já os aços Super Rápidos são os HSS com elevados teores de vanádio. Os aços denominados como Semi-rápidos são os HSS com menores teores de tungstênio.3 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte desempenho da ferramenta deixou a desejar. brocas e outras ferramentas fabricadas por este processo e são normalmente denominadas por HSS-PM (High Speed Steel – Powder Metallurgy). e às vezes alguns carbonetos. esse é um conceito que promete. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 91 . ou seja. Na realidade. mas tiveram grandes aplicações somente mais tarde. e em decorrência disso as velocidades de corte são maiores (em torno de 25%). tanto pela escassez de matéria-prima (e aumento do preço) como também por haver no mercado materiais que se comparam a elas e até as superam a custos menores. obteve-se produtos com propriedades superiores o que o habilitou a usinar em condições de corte maiores. as ligas fundidas estão caindo em desuso. mas acredita-se que a tecnologia de aplicação ainda carece de melhor desenvolvimento. Isto ocorreu durante a Segunda Guerra Mundial em que temeu-se a escassez desse elemento químico e o aço resultante apresentava propriedades mecânicas inferiores. 1999) Elas formam um outro grupo de materiais de ferramentas de corte e surgiram mais ou menos na mesma época dos aços-rápidos. Com isto.Ligas Fundidas (Machado e Da Silva. que tem a vantagem de possibilitar partículas de carbonetos menores e mais dispersas na matriz. a não ser em aplicações muito especiais. Ferramentas de Aço-Rápido Fabricadas pela Metalurgia do Pó (“Sinterizadas”) São fabricadas pela metalurgia do pó. Estas ligas são mais duras do que os aços-rápidos e mantém esta dureza a temperaturas mais elevadas. durante a Segunda Guerra Mundial. b. contendo W e Cr em solução sólida. Hoje são encontradas no mercado fresas. 7. além de facultar a incorporação de um número maior de elementos de liga (carbonetos) que o processo de fabricação convencional. isto inibe a difusão. Partículas grandes produzem maior tenacidade. Isto implica em maiores dificuldades de dissolução e difusão desses elementos. trouxe ao mercado um dos mais fantásticos grupos de materiais de ferramentas de corte “os Metais Duros”. também em pó. resistência mecânica e tenacidade em altos níveis. Uma característica muito importante no metal duro é o tamanho de grão das partículas duras. na Alemanha. desenvolvida na Alemanha. enquanto partículas pequenas auxiliam na obtenção de um metal duro mais duro e resistente. O metal aglomerante é na maioria das vezes o Cobalto. As razões para isso foram: • O carboneto adicionado (titânio. A mistura deste pó principalmente com o cobalto. quando Schroter conseguiu produzir em laboratório o WC em pó pela primeira vez. níquel ou cobalto) formando assim. Os metais duros são fabricados pela metalurgia do pó e utiliza partículas duras de carbonetos de metais refratários finamente divididas. continha apenas WC+Co e mostrou-se prodigioso na usinagem de Ferros Fundidos Cinzentos. eles logo o batizaram como “Widia” de (Wie diamond do alemão = como o diamante) e esse foi o segundo marco na evolução dos materiais para ferramentas de corte. que é um mecanismo de desgaste comum a altas temperaturas. TaC e/ou NbC aos WC + Co reduzindo conseqüentemente os problemas de craterização na usinagem de aços. Para superar este problema adicionou-se Tic. O grande sucesso do metal duro é o fato deles possuírem a combinação de resistência ao desgaste. após o surgimento do aço rápido. tântalo e/ou nióbio) tem maiores durezas que o WC e portanto. apresentam maiores resistências ao desgaste • A solubilidade dos carbonetos adicionados no ferro é muito menor que o WC. Ferramentas de Metal Duro O Metal Duro apareceu na década de 20. um corpo de alta dureza e resistência a compressão. A primeira ferramenta de metal duro.4. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 92 . Quando os alemães perceberam as excelentes propriedades de dureza e resistência ao desgaste desse material. • A estabilidade dos carbonetos adicionados é maior que os WC. então são sinterizado com um ou mais metais do grupo do ferro (ferro. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte 7. 1999). mas demonstrou baixa resistência a craterização quando usinando aços (Machado e Da Silva. o produto já ganha formato final desejado. em temperaturas da ordem de 1500 º C.01 % (Jack. 1990). os parâmetros de corte utilizados no processo puderam ser aumentados. com a porosidade sendo reduzida para menos de 0. A mistura é comprimida a frio em matrizes. de acordo com o material da peça a ser usinado: • Classe P: usinagem de aços. que proporcionaram a fabricação do metal duro com microgrãos. na proporção ideal de cada classe. Os carbonetos são então moídos e secados com spray. K. apresentando uma porosidade da ordem de 50 % em volume. para formatar as arestas. ou opcionalmente pode-se misturar o cobalto (na forma de pó finos) após a moagem. M. A fabricação do metal duro está evoluindo e no início desta década surgiram comercialmente os pós micrométricos. geralmente usando uma adição de cera lubrificante para facilitar esta etapa. 1987). Antes de ser comercializado. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte A fabricação do metal duro ocorre por meio da metalurgia do pó e pode ser resumida da seguinte forma: O tungstênio na sua forma original encontrada na natureza é transformado após uma série de reações químicas em tungstênio puro. Esta baixa porosidade é possível de ser obtida devido a fase líquida do metal ligante presente. normalmente. Observa-se que quando se trata de produtos da classe P ou M . N. esta moagem pode ocorrer depois da mistura com o cobalto. É realizada a vácuo. Essa ferramenta ganhou em dureza. A sinterização segue imediatamente esta etapa. com ligeira queda na condutividade térmica e com isso. Esta cera será extraída do produto durante o tratamento de sinterização. • Classe M: usinagem de aços inoxidáveis • Classe K: usinagem de ferro fundido. A norma ISO classificou os Metais Duros em classe P. este é então misturado em carbono puro e levado a um forno a altas temperaturas (1375 º C a 1650 ºC) para formar o WC (Marcondes. H e S. Após a sinterização o produto sofre uma redução de tamanho. Após a prensagem. que pode chegar da ordem de 18 %.4 a 7 µm (Jack. o produto é retificado. a resistência da ferramenta foi melhorada e sem dúvida. O tamanho de grão de carboneto de tungstênio obtido é da ordem de 0. há também a adição de TiC TaC e/ou NbC. mas sem o comprometimento da tenacidade. 1987). e pode ser manipulado. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 93 . Estes carbonetos conferem ao Metal Duro elevada resistência ao desgaste e elevada dureza. Classe M É a classe intermediaria na matriz do metal duro existe o Carboneto de Titânio (TiC). Dentro destas classes temos outra divisão por números (ver Tabela 7. Classe K É também conhecida por classe dos ferros fundidos mas também é utilizada na usinagem dos aços temperados . Nesta classe o Metal Duro é composto por WC+Co . carbonetos de tungstênio aglomerado pelo cobalto. • Classe S: usinagem de superligas. normalmente é utilizada na usinagem de aços inoxidáveis.1). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte • Classe N: usinagem de alumínio. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 94 . Carboneto de Tântalo (TaC) e/ou Carboneto de Nióbio (NbC) porem em teores menores do que aqueles utilizados na classe P.plásticos e madeiras. esta classe não é muito resistente ao desgaste de cratera. Classe P Essa classe é mais conhecida como classe dos aços ou cavaco longos as ferramentas de Metal Duro desta classe possuem em sua matriz elevado teores de Carboneto de Titânio (TiC). Carboneto de Tântalo (TaC) e/ou Carboneto de Nióbio (NbC). portanto são usadas na usinagem de materiais frágeis que geram cavacos curtos os quais provocam menor atrito entre o cavaco e a região de saída da ferramenta. • Classe H: usinagem de aços endurecidos.ou seja.não ferrosos. isto permite a usinagem de materiais que produzem cavacos mais longos os quais formam uma área de contato (maior atrito)bem maior com a superfície de saída da ferramenta. Tabela 7.1. Ferramenta de Metal Duro com Revestimento O revestimento de ferramentas de metal duro pode garantir uma performance bem superior à ferramenta sem revestimento na usinagem de materiais ferrosos.Classificação dos metais duros. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte As classes com maior teor de Cobalto como é a classe K. Designação Dureza e Resistência Tenacidade ISSO ao Desgaste P 01 P 10 P 20 P 30 P 40 P 50 M 10 M 20 M 30 M 40 K 01 K 05 K 10 K 20 K 30 K 40 7.1 . Normalmente o revestimento provoca uma coloração dourada na ferramenta (se o revestimento for à base de TiN) enquanto as ferramentas sem recobrimento normalmente se apresentam na cor cinza escuro. pois estas criam tensões mais elevadas na ferramenta exigindo assim maior tenacidade.2) utilizadas na industria possuem revestimento.4. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 95 . são mais empregadas nas condições de usinagem de acabamento ou cortes interrompidos. Atualmente 80% das ferramentas de metal duro (Figura 7. ser de triplo revestimento de TiC. fenômeno inverso ocorre. O TiN se apresenta. o que garante alta resistência ao desgaste. por proporcionar baixos coeficientes de atrito entre a ferramenta e o cavaco. devido à elevada afinidade química do Ti com esses metais e neste caso. Este material garante menores comprimentos de contato cavaco-ferramenta devido a menor tendência de adesão dos ferrosos neste material.Ferramentas de Metal Duro Revestidas. Já a alumina (Al2O3) tem várias vantagens. citado por Quinto et alli. e um fato ocorrente é a redução de sua condutividade térmica com o aumento da temperatura. ou.2 . 1986. 1988) de ferramentas com até 12 camadas de diferentes revestimentos. pois este garante uma coesão muito boa com o substrato. o que reduz a vida das ferramentas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte O revestimento pode ser uma única camada de TiC. Além disso. mais comum. AL2O3 e TiN. como o Al e Cu e suas ligas. O TiC é um revestimento que é muito utilizado como a primeira camada. Isto garante uma barreira térmica interessante para a superfície da ferramenta. isto na usinagem dos metais ferrosos. Figura 7. Os fabricantes explicam que 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. normalmente como a camada externa. a dureza e portanto. o TiC é um dos revestimentos mais duros atualmente utilizados. as principais são a inércia química. predomina-se a adesão e a difusão. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 96 . 1976 e Reiter e Kolaska. No caso da usinagem dos não ferrosos. sua dureza é de HV3000. TiCN e TiN e TiC. mas existe registro (Lindstron e Johannesson. resistência ao desgaste. A sua formulação básica é constituída por TiC. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Um outro revestimento que vem sendo usado ultimamente é o TiNAl ou (TiAl)N que é um nitreto à base de Ti e Al. promovendo a falha da ferramenta. principalmente dos ferros fundidos. na classificação entre o Metal Duro e as Cerâmicas. Existem hoje no mercado ferramentas de metal duro revestidas com diamante policristalino (PCD) obtidas pelo processo CVD . indesejadas na usinagem: baixa condutividade térmica e grande coeficiente de expansão volumétrica. 7. ocorre o fenômeno de “aquece-esfria” e conseqüentemente “expande-retrai”. Este revestimento tem se mostrado excelente para a usinagem de ferros fundidos. mas inferiores a 30 µm. Os ciclos inerentes ao processo. Ou seja. com espessuras maiores que as normais. normalmente por trincas originadas por fadiga de origem térmica. TiN e Ni como aglomerante. A espessura total das camadas revestidas podem variar de 4 a 12 µm e camadas muito espessas podem fragilizar a aresta. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 97 . nas condições em que a região aquecida da ferramenta é pequena. Isto faz com que ele seja utilizado em operações de acabamento e superacabamento de ferrosos.4 – Ferramentas de Cermets O Cermet é um produto com duas fases: metálica e cerâmica e por esta razão ele situa-se. polímeros e compósitos. mesmo no corte contínuo. Neste caso. devido à pequena área de contato cavaco ferramenta (baixos “f” e “ap”). Devido a elevada quantidade de Ti na sua formulação. 1998). com camada única. as elevadas temperaturas geradas na interface cavaco-ferramenta promovem grande expansão do material na região termicamente afetada. Outros fatores importantes são as suas propriedades térmicas. como o alumínio. Deposição Química de Vapor (Clark e Sem. que apresenta grande afinidade química com a maioria dos metais não ferrosos. este material tem o seu campo de aplicação limitado à usinagem dos ferrosos. em que a ferramenta inicia o corte e depois de determinado período ela sai. elas são aplicadas em ferramentas positivas para desbaste de materiais não ferrosos. Com isto. 5. possuem algumas propriedades melhores e outras piores que os cermets e os metais duros. alumina mista e alumina reforçada com SiC (Whisker).Composição.1 . O primeiro grupo compreende a alumina (inclusive alumina reforçada com zircônio). afinidade química e dureza a quente (indicada por resistência ao desgaste). O cermet sempre ocupa uma posição intermediária entre o metal duro e a cerâmica. 1999).Ferramentas de Cerâmica Os materiais de ferramentas de cerâmicas convencionais podem ser divididos entre óxidos e nonóxidos. Propriedades e Fabricação A comparação entre metal duro e alguns materiais cerâmicos em relação ao resistência mecânica tenacidade (ao corte interrompido). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 98 . Na Figura 7. 1995).3 mostra-se esquematicamente a comparação das principais propriedades destas ferramentas de corte. 7. e suas propriedades variam de acordo com o processo de manufatura do mercado. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Recentemente estas ferramentas estão sendo recobertas com finas camadas de TiN e em testes preliminares tem apresentado bons desempenhos em relação às sem revestimentos.5 . As cerâmicas de um modo geral. 7. A principal cerâmica monóxida para ferramenta de corte é baseada em nitreto de silício. choque térmico (comportamento no corte com refrigerante). considerando qualquer uma destas propriedades (Machado e Da Silva. pode-se dizer que enquanto os metais duros se mostram superior em relação aos choques térmicos e mecânicos. as cerâmicas se mostram superiores quanto a afinidade química e resistência ao desgaste (Abrão. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 99 . Cerâmica à Base de Al2O3 Podem ser puras ou com adições. Estas ferramentas possuem um alto grau de dureza. tais como oxido de cromo. É comum adicionar MgO para inibir o crescimento do grão. resistência ao desgaste e excelente estabilidade química. inerente a certos processos de corte. aumenta consideravelmente a dureza e a resistência da ferramenta (Machado e Da Silva. Cermet e Cerâmica (Smith. também a base de Al2O3. além de melhorar ligeiramente a tenacidade e a condutividade térmica. Outros constituintes. é a ferramenta de cerâmica.1989). As primeiras ferramentas com adições apareceram nos anos 70. 1999) Outra introdução no mercado nos anos 80. mas deixam a desejar na tenacidade. que teve grande receptividade. Estas adições conferem a matriz de Al2O3 um maior grau de tenacidade para suportar maiores impacto e choques térmicos.3 – Algumas Propriedades do Metal Duro. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Figura 7. A adição de TiC (cerâmica mista ou preta). TiO2 e WC. com altos percentuais (podendo chegar a 30%) de ZrO2 e ou TiC principalmente. reforçada com SiC (Whiskers). a. podendo ainda conter TiN. titânio e níquel são as vezes adicionados para aumentar a resistência mecânica. As cerâmicas puras são ferramentas constituídas basicamente de finos grãos de Al2O3 sinterizados. Isto faz com que a aplicação destes materiais chegue ao fresamento. Cerâmicas a Base de Si3N4 Hepworth (1991). elas tem excelentes resistência ao choque térmico. são mais caros : segundo eles são materiais covalentes (não são como óxidos. b. na forma de longos cilindros. relatou que existem duas características principais para distinguir nitretos (e carbonetos) dos óxidos cerâmicos : primeiro os materiais crus requerem extensos processos termoquímicos. MgO e outros. Tratam-se de cristais de Si3N4 com uma fase intergranular de SiO2 (cristais de vidro) que são sinterizados na presença de Al2O3. o que possibilitou as suas aplicações aos ferrosos. possuem boa resistência ao desgaste. Cerâmicas a base de nitretos de silício. entretanto devida a grande interações químicas com o ferro e elevadas temperaturas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Estes carbonetos são adicionados em até 20% na alumina. são usadas como ferramentas de corte devido ao baixo coeficiente de expansão térmica. seus comportamentos se caracterizam pela orientação. assim. originada das letras originais dos principais elementos químicos presentes na liga (Si. As cerâmicas à base de nitreto de silício. ao qual são iônicos). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 100 . este grupo de material não tem tido sucesso na usinagem de aços (Buljan e Sarin. O e N). Este grupo apareceu no mercado nos anos 80.1985). com tenacidade superior as cerâmicas de base de Al2O3. 1986). inclusive superior às demais cerâmicos (Smith. o que há pouco tempo atrás (10 anos) era inadmissível para as cerâmicas. A ferramenta resultante apresenta exelente tenacidade.5 a 6 µm de diâmetro e 10 a 80 µm de comprimento. Y2O3. Com esses materiais tem-se conseguido excelentes resultados nas usinagens das ligas de alumínio e ferro fundidos. A condição de Al e O a aresta da ferramenta reduziu as interações quimicas com o Fe. de 0. no entanto não e tão fácil sinterizar devido sua alta densidade. A nova ferramenta gerada é comercializada com o nome de SIALON. resistência e tenacidade a temperaturas elevadas. ao qual confere alta dureza. Al. quando usinando aço Ck45N (equivalente AISI 1040).Aplicações e Dados Técnicos Uma boa faixa de materiais e componentes podem ser usinados com ferramentas de cerâmica. conforme Grearson e Jack (1984). com menor risco de fraturas. 800 contra 650 HV.2 . ao qual em muitos casos apresentaram a formação de uma camada de óxido na ferramenta. e por Kim e Durham (1991) quando usinado aço AISI 1045 e AISI 4340. Os resultados indicaram que a natureza do desgaste de flanco mudava consideravelmente com a composição química do aço. Aplicações típicas. são empregadas para melhorar a resistência ao choque térmico com o aumento da condutibilidade térmica. e cilindros) com velocidades de corte acima de 900 m/min. nodulares e maleáveis (discos e tambores de freios. A dureza a quente (em 100° C) é superior a da cerâmica pura. incluem torneamento de ferro fundido abaixo de 35 HRC e acabamento de aços endurecidos de 35 a 65 HRC. e o fresamento de ferro fundido cinzento em componentes de máquinas e pequenas peças automotivas. (1987). que dissipa melhor o calor gerado na interface. Isto a habilita para o uso em altas velocidades de corte. onde a grande solução e a resistência ao desgaste da dupla Al2O3 e ZrO2. As aplicações típicas de ferramentas de alumina/zircônio. reduzindo os gradientes térmicos e consequentemente a tensão termicamente induzida. com adição de TiN e TiC. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte 7. inclui o torneamento de ferros fundidos cinzento.25mm/rev. Desgastes das ferramentas com base de alumina foi estudado por Tönshoff e Bartsch.5. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 101 . comparados com as ferramentas de cerâmica branca.2 sintetiza as aplicações típicas seguindo da descrição das aplicações para cada tipo particular de cerâmica. podem também ser usinadas com velocidades acima de 1080 m/min e faixa de avanços em torno de 0. Ligas de carbono e aços ferramentas com dureza acima de 300HB (eixos e mandris para aplicação automotivas). A Tabela 7. Estudos indicam que a cerâmica mista. 4 Maleável Ferro 250-280 Fresamento SH1 200-700 0.15 0. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Tabela 7. estão em testes ferramentas fabricadas a partir de grãos da ordem de nanômetros.3 Base de Torneamento 2000 Níquel A aplicação de ferramentas de nitreto de silício. Eles mostraram que as ferramentas de nitreto de silício podem ser empregadas com sucesso para usinagem com corte interrompido de aços AISI 1045 (167HB).4 0.1 (0. e essas ferramentas foram então denominadas por “cerâmicas com nanogrãos”. as cerâmicas estão passando por uma grande evolução tecnológica na sua fabricação.08-0.2 – Aplicações típicas de ferramentas de cerâmica convencional (Kennametal. Acredita-se que em pouco tempo esses materiais já estarão totalmente difundidos em utilização pelo mundo afora. Isto porque estas ferramentas não obtém a mesma faixa de temperatura do que no corte continuo.5%C) Aço 560-740 Desbaste K090 65-145 0.5 Fundido Faceamento mm/z Cinzento Ligas a 200-450 Desbaste Kyon 90-215 0. Desde 2002.5-6.1-0. 1985) Material da Dureza Operação Material Velocidade Avanço Profundi- Peça de Corte (HBN) da ferramenta (mm/rev) dade de (m/min) Corte (mm) Aço 125-225 Acabamento CC620 550 0.35 0.08-1.5 Ferramenta Torneamento Ferro 110-145 Acabamento CC620 800 0. Assim como no caso do metal duro.24 1.1 0.1-1. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 102 . principalmente provocado por difusão.1-0. foi demostrada por Tonshoff e Bartsch (1987) e Buljan e Wayne (1985).0 Carbono Torneamento CC650 750 0.2- 0.008-0.0 Fundido Torneamento CC650 460 0.1-1. minimizando no entanto o comportamento do desgaste. mostra-se as três possibilidades de arranjo dos átomos do nitreto de boro.6 . o nitreto de boro existe em três formas: hexagonal na forma de grafite e na forma cúbica (CBN) também chamada hexagonal duro (wurtzite). Ele foi sintetizado pela primeira fez com sucesso em 1957 pela General Eletric Co. A fabricação do PCBN na combinação do boro e nitrogênio formando a seguinte reação. O surgimento destes materiais para aplicações na usinagem é considerado o terceiro marco evolutivo no desenvolvimento das ferramentas de corte. seguindo o desenvolvimento do diamante sintetizado. Nitrogênio Boro Figura 7.Materiais de Ferramentas Ultra-Duros São denominados materiais ultra-duros ou super duros os materiais com dureza superior a 3000 HV. BCl3 + NH3 BN + 3HCl Como o carbono. Na Figura 7. O pó obtido neste método e geralmente muito Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 103 . Nesta categoria estão enquadrados o PCBN (Nitreto Cúbico de Boro Policristalino) e o PCD (Diamante Sintético Policristalino). a. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte 7. O Nitreto Cúbico de Boro Policristalino – PCBN O Nitreto Cubico de Boro é o próximo material mais duro depois do diamante. O pó de CBN é fabricado submetendo o Nitreto de Boro Hexagonal (HBN) à extremas pressões e temperaturas.1986).4 – Arranjo dos átomos do nitreto de boro (Heath.4. USA. O PCBN que é comercializado no mercado pela GE. Portanto. de modo a formar uma massa densa de policristalino Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 104 . 1972) Um segundo dispositivo que também é usado. a adição de solventes catalisadores reduz a faixa de temperatura e pressões necessárias para a transformação de HBN para PCBN Valores típicos estão em torno de 6000 MPa e 1500 °C.6. do qual tem um tubo aquecido e encapsula o HBN para a sinterização. em todas as seis faces no cubo. O PCBN produzido pela De Beers. como no diamante sinterizado. são produzidos em blanks da mesma forma dos PCBN. Pontas únicas de Policristalinos de Nitreto de Boro Cúbico (PCBN). descreveu a tecnologia usada para obtenção de altas pressões e temperaturas para a fabricação do CBN mostrado na Figura 7. Tabuchi (1983).5. Figura 7. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte fino. é chamado de Amber Boron Nitride (Amborite). chamado de presurizador cúbico é mostrado na Figura 7. leva a marca registrada de Borazon e é principalmente usado para produzir rebolos de Borazon. A estrutura hexagonal pode ser transformada em Wurtzite (WBN). O pressurizador cúbico emprega seis punções para aplicar a pressão simultaneamente.5 – Dispositivo para obtenção de altas pressões e temperatura para transformação de HBN para CBN (De Vries. Podem ser utilizadas partículas de CBN de diversos tamanhos variando para cada fornecedor. que são brasadas geralmente num substrato de Metal Duro (WC + Co). a altas velocidades de corte e com grande economia.1995). ao contrário do PCD que requer processos de brasagem e lapidação.0 mm.6 – Presurizador cúbico (Abrão. combinado. pronto para utilização. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Figura 7. muito raramente como ferramentas totalmente sólidas. ou então. O Amborite possui uma alta condutibilidade térmica. transferindo rápida e intensamente. a uma segunda gama de materiais denominados aglomerantes ou materiais de segunda fase que também podem ser encontrados em diversos tamanhos de grãos. É um inserto intercambiável. O Amborite é formado por uma única camada solida de nitreto de boro cubico policristalino. Estas ferramentas podem ser encontradas apenas com uma camada de 0. Constituição A constituição clássica da ferramenta de CBN ou PCBN é: 1) Partículas de CBN. o calor gerado na usinagem para o porta-ferramenta. O Amborite é capaz de usinar materiais de alta dureza. 3) Substrato. através da sinterização.5 a 1. 2) Partículas de material de segunda fase ou aglomerante. Os materiais da segunda fase ou aglomerantes podem ser: Metal ou Cerâmico Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 105 . 7 – Ferramenta de PCBN integral (De Beers. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 106 . Figura 7.9. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte A percentagem de CBN e o tamanho do grão é que irão caracterizar os tipos de ferramentas de CBN. 1999).8 – Plaqueta de PCBN brasada sobre substrado de Metal Duro (De Beers.7 a 7. Figura 7. 1999). conforme apresentados nas Figuras 7. 1999). sendo quase duas vezes a dureza da alumina. usinar ligas ferrosas sem o problema de grande desgaste por difusão. portanto. algumas são muito vantajosas no que diz respeito à sua utilização em ferramentas de usinagem. somente superada pelo diamante. TIPOS Quanto à Fixação e às Formas Nas Figuras 7. Estabilidade Termoquímica: O CBN é quimicamente mais estável que o diamante. os principais tipos de fixação disponíveis e formas comercialmente disponíveis.9 – Plaqueta de PCBN brasada sobre substrado de Metal Duro (De Beers. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 107 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Figura 7. respectivamente. O CBN é estável até temperaturas da ordem de 1200°C. Tenacidade: Sua tenacidade é similar ao material cerâmico baseado em nitretos e cerca de duas vezes a da alumina.10 e 7.11 mostram-se. podendo. são elas: Dureza: Possui altíssima dureza. Propriedades Dentre as propriedades do CBN. de uma maneira geral. pode-se dividir os PCBN’s em duas categorias. 1999).11 – Formas de ferramentas disponíveis (De Beers. Figura 7.0mm) 2) PCBN para usinagem em acabamento (ap menor que 0. Quanto à Aplicação Existem diversos tipos de PCBN no mercado. segundo suas aplicações: 1) PCBN para usinagem em desbaste (ap entre 0. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Figura 7.5mm) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 108 .5 e 8. cada fabricante usa diferentes materiais e quantidades de aglomerantes e diferentes tamanhos e distribuição de partículas. Mas.10 – Tipos de fixação. estes PCBNs 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. Aplicações Aços Temperados. PCBN para Usinagem em Acabamento Os tipos de PCBN’s anteriores não se comportam tão bem quando se necessita de algumas características químicas e térmicas. Em operações de acabamento os cavacos produzidos são pequenos. devido ao alto teor de CBN. a ferramenta atinge altas temperaturas. A pequena massa de cavaco gerada não é suficiente para levar embora todo o calor gerado pelo corte e. combinando as propriedades das duas fases presentes (CBN e cerâmica). devido aos pequenos avanços e profundidades de usinagem. Por outro lado. Além disto. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte PCBN para Usinagem em Desbaste Os PCBN’s para desbaste possuem maior concentração de Nitreto Cúbico de Boro (90% em volume) o que aumenta a ligação cristal com cristal e faz sua tenacidade aumentar. a tenacidade e dureza ainda são suficientes para manter a integridade da aresta de corte. tornando possível a obtenção de tolerâncias apertadas e bom acabamento superficial ao longo da vida da ferramenta. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 109 . estes materiais são os que apresentam maior dureza dentre os PCBN. por isso. Dada estas propriedades. de tal maneira que as ferramentas resultantes possuem menor tenacidade e dureza. mas tem resistências química e térmica excelentes. Os PCBN’s próprios para acabamento são aqueles onde uma fase cerâmica é adicionada. Embora menores. ferramentas cerâmicas não possuem tamanha tenacidade e dureza. Ferro fundido branco. Ferro fundido cinzento. mas melhor estabilidade química e térmica que os PCBN’s para desbaste. o que faz com que propriedades como estabilidade térmica e química (para impedir a difusão que é incentivada pela alta temperatura) sejam imprescindíveis. as aplicações onde o PCBN é utilizado são aquelas onde o diamante Policristalino não pode ser usado e o metal duro não possui dureza suficiente para poder realizar a tarefa. General Electric Superabrasive e Sumitomo Electric Industries. nos processos de fresamento. 1995). nos meados de 1970. 1994). a velocidade de corte que deve ser usada é muito menor que a que pode ser usada com PCBN. o PCBN não se comporta bem devido à excessiva craterização. Na Tabela 2. com as ferramentas de material cerâmico. com uma camada de 0. (Kohno. Superligas. foi estimado em £60 milhões Esterlinas em 1994. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Sinterizados. mesmo em condições difíceis (corte interrompido. Em 1977 a Sumitomo Eletric desenvolveu o Sumiboron BN200™. por exemplo). ao qual 50% envolve a usinagem de aços duros.6 mm. a faixas de PCBN. A totalidade do mercado mundial para operações de acabamento com ferramentas de PCBN.5 pode-se verificar as principais classes de PCBN comercializadas no mundo (Abrão. Em geral. O primeiro blanck de ferramenta de PCBN foi produzido pela GE. ou quando possui. Ligas para recobrimento de alta resistência. sendo a primeira ferramenta de PCBN produzida no Japão e em 1980 a De Beers lançou o Amborite™. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 110 . com a marca de BZN Compact™ e este produto é ainda disponível no mercado com o nome de BZN-6000 ™. são limitadas a um pequeno número de companhias no mundo e existe um grupo restrito de empresas que formam a rede mundial de fornecedores de PCBN. por exemplo) e. produzida sobre uma placa de metal duro para dar maior tenacidade. que formam cavacos longos. Advertência Em aços moles. produzidas e fabricadas. Portanto. O PCBN é fornecido principalmente pela De Beers Industrial Diamond Division. O PCBN compete então com o processo de retificação (substituição da retificação por torneamento. torneamento e mandrilamento. 2) De Beers Industrial Diamond Division. Na Tabela 7.3 mostra-se a comparação entre esses fabricantes e as respectivas composições químicas dos seus produtos. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Quadro Comparativo entre os Fabricantes de PCBN Os principais fabricantes de PCBN no mundo são: 1) General Eletric Co. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 111 .. 0 TiN 2500 GE BZN-8200 65 2.3 – Tabela de comparação dos fabricantes de PCBN. (%) TAM.0 TiN 2600 BZN-7000S 82 15.0 Cerâmica Al - DE BEERS DBC80 80 6.0 Cerâmica Ti/Al 2750 • As Informações sobre o fabricante SUMITOMO não estão disponíveis.0 METAL 2800 BZN-8100 65 2. GRÃO (µm) (kg/mm2) BZN-6000 93 2.0 Cerâmica Ti/Al - DBC50 50 2. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 112 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Tabela 7.0 Cerâmica 3200 AMBORITE 90 9. QUADRO COMPARATIVO: CARACTERÍSTICAS DE CADA CBN DE ACORDO COM SEU FABRICANTE CBN DUREZA KNOOP FABRICANTE CLASSE AGLOMERANTE QUANT. 1a 0.9° e o maior possível ângulo lateral de posição (no mínimo 15°) para minimizar trincas na aresta. Figura 7. Na usinagem do ferro fundido cinzento. não devem ser usinados com CBN. assim. 2) O sistema máquina-ferramenta-dispositivo de fixação-peça deve ser o mais rígido possível. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Cuidados a Serem Tomados Quando se Utiliza Ferramentas de PCBN 1) Materiais fáceis de serem cortados por outros materiais de ferramenta como aços não endurecidos. conforme esquematizado na Figura 7. 5) Sempre que possível fluido de corte deve ser utilizado. 3) A geometria da ferramenta deve ser negativa (normalmente γ = -5°) para garantir a resistência aos choques. onde a utilização de óleo de corte não é recomendada. com ângulo de folga α = 5 . 4) A aresta de corte deve ser chanfrada (chanfro de 0.12.3mm x 15 a 25°) o que direciona os esforços de corte para o centro da ferramenta e. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 113 . diminui a possibilidade de quebra da aresta. pode-se tentar a utilização de ar comprimido.12 – Detalhe do chanfro da aresta da ferramenta. Os diamantes são encontrados em quase todos os grandes continentes. 1999). Por muitos séculos e até hoje é apreciado como a mais perfeita das pedras preciosas. foram os primeiros a ser minerados e explorados. portanto os parâmetros de corte e a expectativa de vida da ferramenta devem ser reavaliados. • Diamantes sintéticos monocristalinos (dureza acima de 6000 HV). É um mineral relativamente pesado. como também pela consequente diminuição do tempo em que a máquina permanece parada para retirada da ferramenta gasta e a ajustam da nova.52 g/cm3 e portanto. Diamante Sintético Policristalino (Polycrystaline Compact Diamond - PCD). 7) O custo do inserto de PCBN é mais alto que o de material cerâmico. Como ferramentas de corte temos: • Diamantes naturais (dureza acima de 8000 HV). tende a se acumular em cacimbas. O diamante é conhecido como o material mais duro que existe na natureza (Abrão. não existe uma equivalência perfeita entre as classes dos diversos fabricantes. Os depósitos desta natureza são chamados depósitos de aluvião e na realidade. principalmente em suas curvas. mas devido à maior vida da ferramenta de PCBN. Os diamantes são uma forma cristalina de Carbono. 1995 e Machado e Da Silva.PCD). • Diamantes sintéticos policristalinos (Polycrystaline Compact Diamond . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte 6) Ao especificar a compra de uma determinada classe de ferramenta. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 114 . observar que. o custo do ferramental muitas vezes é compensado não somente pelo maior número de peças usinadas por aresta de corte. b. com uma densidade de 3. em leitos e margens de rios. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 115 . Numa prática similar. o processo é realizado na presença de um metal solvente (normalmente o Cobalto). na forma de grafite a temperaturas e pressões extremamente altas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Obtenção O diamante sintético é obtido sujeitando o carbono. Como o grafite. envolvendo temperaturas da ordem de 2000°C a pressões de 7GPa. Síntese do Policristalino Quando uma massa de partículas metálicas é aquecida ocorre a sinterização nas pontas de contato entre partículas e superfícies adjacentes. é possível fazer cristais de Diamante sinterizem juntos de tal modo a gerar uma massa policristalina.13. conforme esquematizado na Figura 7. Para tornar o processo mais econômico. os átomos de carbono estão arranjados na forma hexagonal. O processo consiste em obter uma uniforme distribuição dos constituintes em toda a massa. Após o tratamento térmico ele se transforma em diamante. Obtenção da Pastilha de PCD As pastilhas e insertos de PCD são fabricados por processo de alta pressão e alta temperatura e consiste em uma capa de PCD ligado integralmente a um substrato de carbeto de tungstênio por meio de brasagem. possuindo uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC). A transformação é muito difícil. 14 mostra-se algumas granulometrias comercialmente disponíveis. Na Figura 7. que variam de 2 a 25 µm de diâmetro. mas suas propriedades variam com o tamanho das partículas de diamante do material.13 – Esquema do processo físico de obtenção do diamante sintético. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Alta Pressão Partículas de Diamante Carbeto de Tungstênio Alta Temperatura Figura 7. Constituição A composição química dos diversos PCD’s encontrados no mercado pra- ticamente não varia. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 116 . Uma camada de PCD de aproximadamente 0. Normalmente o comprimento da camada de diamante é de alguns milímetros. A este conjunto de PCD e metal duro dá-se o nome de plaqueta. a fim de se economizar material.Tamanhos de grãos do diamante encontrados comercialmente. Figura 7. c) Grão Fino (2 µm de diâmetro). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte a) Grão Grosso (25 µm de diâmetro).14 . Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 117 . pouco maior que a profundidade de usinagem que será utilizada.5 mm de espessura ou é aplicada diretamente sobre uma pastilha de metal duro ou então é ligada ao metal duro por meio de brasagem. b) Grão Médio (10 µm de diâmetro) e. Figura 7.16 – Formas comercialmente disponíveis (De Beers.17 mostram-se diversas formas comercialmente disponíveis do PCD. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Tipos . 1999).15 a 7. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 118 .15 – Esquema de modos de utilização do PCD. Figura 7.Quanto às Formas Nas Figuras 7. Dentre as propriedades positivas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Figura 7. tem-se: Condutividade: Alto valor de condutividade térmica (de 1 a 5 vezes o valor do metal duro classe K) o que dificulta a formação de pontos quentes na ferramenta. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 119 . algumas são muito vantajosas na que diz respeito à sua utilização em ferramentas de usinagem e outras limitam esta utilização. Propriedades Dentre as propriedades do PCD.17 – Produtos comercialmente disponíveis. Por outro lado. quanto menor for o tamanho do grão. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Dureza: Altíssima dureza (cerca de 4 vezes a do metal duro classe K e 3 vezes a da alumina). melhor será qualidade da aresta de corte. Figura 7. Seleção do Grão de Diamante Em geral.18. b) Grão Médio (10 µm de diâmetro) e. quanto maior for o tamanho do grão de diamante sinterizado maior será a resistência ao desgaste.18 . Tenacidade: Sua tenacidade pode ser considerada alta se considerar-se sua alta dureza (maior que a dos cerâmicos baseados em nitretos e menor que a do metal duro).Aspectos da superfície de saída para diversas granulometrias. a) Grão Grosso (25 µm de diâmetro). conforme mostrado na Figura 7. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 120 . Resistência ao Desgaste por Abrasão: Altíssima resistência ao desgaste por abrasão. c) Grão Fino (2 µm de diâmetro). Cobre e suas ligas. Carbeto de Tungstênio. Compostos de Grafite-epoxy. Plásticos reforçados com fibras. mas também a configuração da união desses grãos. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 121 . Aplicações Metais não Ferrosos Alumínio e ligas de Al/Si.19. Figura 7. Pedras Naturais. Sinterizados não ferrosos. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Outro ponto a ser observado é que não só o tamanho do grão influenciará no comportamento de desgaste da ferramenta.19 – Possíveis tipos de ligações granulares. Concreto. Não Metálicos Madeira natural e compostos de madeira. conforme esquematizado na Figura 7. Cerâmicos. FABRICANTES CLASSES TAMANHO DO GRÃO (µm) Série 1500 25 General Eletric Co. Série 1300 5 Série 1600 4 Syndite 002 2 De Beers Industrial Diamond Syndite 010 10 Division Syndite 025 25 DA150 5 Sumitomo Electric Carbide. • Usar pequeno ângulo da ponta sempre que possível e o ângulo de saída deve ser positivo. • Pode ser usada com ou sem refrigerante.4 – Principais fabricantes. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de corte Fabricantes Na Tabela 7. as suas classes e respectivos tamanhos de grãos. respectivas classes e tamanho de grão.5 Cuidados a Serem Tomados Quando se Utiliza Ferramentas de PCD • sistema máquina-ferramenta-dispositivo de fixação da peça deve ser o mais rígido possível.4 são mostrados os principais fabricantes mundiais de PCD. Tabela 7. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 122 . Inc DA200 0. • A máquina deve ter potência e velocidades compatíveis às exigências impostas. que se encontra dissolvido na matriz de alumínio da liga e também disperso no material formando pontos de silício puro. porque a vida da ferramenta é muito maior. deve-se levar em conta outros fatores quando se pensa em custos. Porém. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de corte • Nas aplicações de desbastes interrompidos afiar a ferramenta com um “honeamento” suave (0. Considerações sobre a Usinagem da Liga de Alumínio-Silício A mais larga utilização do PCD na indústria manufatureira é na usinagem de ligas de alumínio-silício. Quando se pensa em termos de ligas alumínio silício. Uma ferramenta de PCD simples custa cerca de 20 a 30 vezes mais que o metal duro. o que gera boas tolerâncias e baixa rugosidade superficial. observar se existe uma equivalência perfeita entre as classes dos diversos fabricantes. Além disto. quando se deseja tolerâncias apertadas e ótimo acabamento superficial da peça. economiza- se o tempo de parada da máquina para retirada da ferramenta gasta e ajustagem da nova. deve-se notar que o silício. principalmente se tem-se uma produção com lotes grandes. os parâmetros de corte e a expectativa de vida da ferramenta devem ser reavaliados. O alumínio puro é um material de fácil usinagem. • Um grande problema para uma mais larga utilização do PCD na indústria é o seu custo. • Ao especificar a compra de uma determinada classe de ferramenta. caso contrário.03mm). fazendo com que. muitas vezes. é cerca de 6 a 7 vezes mais duro que o Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 123 . enquanto que uma ferramenta de forma mais complexa custa de 50 a 150 vezes mais que uma ferramenta equivalente de metal duro. o custo por peça usinada seja menor quando e utiliza o PCD como ferramenta. Este tipo de liga tem substituído outros materiais (em especial o ferro fundido) em muitas aplicações da indústria automobilística. com o fim de redução de peso do veículo. devido ao fato do pequeno desgaste da ferramenta. quando se pensa em termos de desgaste da ferramenta e esforços de corte e seu corte tem sido realizado de maneira satisfatória pelo aço rápido e pelo metal duro. O primeiro fator é a qualidade da peça usinada que é muito boa. sua usinagem se torna difícil com as ferramentas tradicionais. dado ao fato de que o alumínio não se solda facilmente no PCD. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 124 . devido a estes pontos duros do material. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de corte alumínio. fazendo com que a velocidade de corte tenha que cair bastante. Pontos duros na peça não são problemas para o diamante dada a sua alta dureza. Outro fator que dificulta a usinagem de qualquer liga de alumínio é sua tendência à geração da aresta postiça de corte. Assim. Isto não acontece com o diamante. 3 3.8 3.4.1.25 40 – 60 125 – 140 30 . propriedades físicas e custos (Abrão.1995). 40.50 por Aresta (£) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 125 .Comparativo dos materiais como características mecânicas.5 .5 .8 Custo Aprox.34 0.4 3. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de corte Tabela 7.5wt%WC 90-95% Al2O3 75% Al2O3 77% Si3N4 98% PCBN PCD 5wt%Mo 10wt%Co Al2O3 30%Tic 25% SiC 13% Al2O3 2% AlB2/ 2-8% Co 6. Térmica .5 3.(HV) 850 1600 1700 1900 200 1600 4000 10000 9000 Dureza a .(W/m °C) 37 85 8 – 10 12 – 18 32 23 100 900 560 Mod.5 8 6.6 2.4.2 3.5 3.4 7.0 4.85 14.9 2 8 6 10 3.9 1.1 3.(Mpa m1/2) 17 13 1. Expansão Térmica (x 10-6 / K) 12 5.2 4.5 1.9 Cond. Young’s .5wt% 5-10% ZrO2 5-10% ZrO2 10% Y2O3 AlN 2wt%V Densidade .(g/cm3) 7.85wt%C 4wt%Cr 89. Propriedades Aço Rápido Metal Duro Cerâmica Cerâmica Whisker Nitreto de PCBN Diamante PCD M2 M20 Branca Mista Reforçada Silício Natural Composição 0.7 3.000°C(HV) n.a 400 650 800 900 900 1800 Na Na Tenacidade .3 0.5 8.4 Dureza a RT .5wt%W 0.(kN/mm2) 250 580 380 420 390 300 680 964 841 Coef.46 0.8 . condições de corte. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Após a leitura deste capítulo observa-se a grande variedade de materiais para ferramentas disponíveis no mercado. o caso específico da operação deve ser incessantemente ponderado e a discutida relação custo/benefício jamais poderá ser esquecida. Concluindo. processo de usinagem. rigidez da máquina-ferramenta. De nada vai adiantar se o PCBN ou o PCD for selecionado para operar numa máquina cheia de folgas e consequentemente grandes vibrações. À primeira vista pode-se imaginar que à medida que se desce na lista de materiais isto se torna vantajoso. entre outros. tamanho do lote. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 126 . como: material da peça. Mas deve-se lembrar que cada material tem o seu nicho de mercado e a seleção do material “ideal” para a situação específica depende de inúmeros fatores. Esse capítulo destaca os revestimentos utilizados com o objetivo de melhorar a resistência ao desgaste de ferramentas de corte. 2000). componentes de motores e compressores) (fonte Balzers Balinit do Brasil Ltda). Entre as características modificadas por meio de revestimentos pode-se destacar as propriedades óticas. al. estampagem e moldes para injeção de plásticos) e componentes de precisão (engrenagens. O principal campo de aplicação de revestimentos. como o desenvolvimento de diferentes tipos de revestimento e de técnicas de aplicação. magnéticas. químicas. com o objetivo de melhorar a resistência ao desgaste. A abordagem do assunto tem início com a apresentação de um breve histórico. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte Capítulo 8 Revestimentos para Ferramentas de Corte A deposição de revestimentos é um procedimento adotado com o objetivo de alterar as propriedades de uma superfície. eletrônicas. al. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 127 . que aborda os principais aspectos evolutivos dos revestimentos. mais especificamente de brocas helicoidais.. redução das forças de corte (potência consumida) e redução da tendência à adesão podem ser obtidos (Hogmark et. Outros efeitos positivos. resistência mecânica e de resistência ao desgaste (Hogmark et. O capítulo é finalizado com algumas tendências para os revestimentos do futuro. são as ferramentas (de usinagem. 2000).. tais como o aumento da velocidade de corte (e em conseqüência da produtividade). A deposição de revestimentos em ferramentas de corte tem como principal finalidade o aumento da vida das ferramentas. São apresentados resultados importantes de trabalhos que estudaram o desempenho de revestimentos. São apresentados também alguns ensaios de laboratório desenvolvidos com o objetivo de estudar o desempenho de revestimentos. É apresentada uma seção que destaca o estudo das propriedades dos revestimentos responsáveis pelo seu desempenho. com o objetivo de melhorar sua resistência ao desgaste datam da década de 1930. que participava da formação de carbonetos estáveis. Os materiais para revestimentos investigados na época foram: • Óxido de Alumínio. TaC e NbC (Suh. A busca por ferramentas de corte que reunissem boa tenacidade no núcleo e elevada resistência ao desgaste na superfície resultou no desenvolvimento dos revestimentos. A deposição de revestimentos com o objetivo de melhorar o desempenho de ferramentas de corte pode ser abordada no contexto da evolução dos materiais para ferramentas de corte. problema que foi resolvido com a adição de TiC. por outro lado. o que tornou-as mais propensas a sofrer falha por quebra ou lascamento. As primeiras referências sobre o estudo dos revestimentos para ferramentas de corte datam da segunda metade da década de 1960. patenteado na década de 1930. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 128 . As primeiras ferramentas de metal duro (WC e Co) apresentavam acentuada tendência à formação do desgaste de cratera. Trabalhos publicados na época mostraram que as ferramentas revestidas com HfC tinham melhor desempenho quando comparadas a ferramentas revestidas com TiC.1 Breve histórico As primeiras referências sobre a aplicação de revestimentos em peças e componentes. A adição de carbonetos. 1976). o Hf. ZrC. • Carbonetos do grupo IV-B e V-B da tabela periódica. 1976). o que resultou em um método de deposição de metais como. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte 8. TaC e NbC ao metal duro. a partir do desenvolvimento do metal duro. • Camada dupla de TiC e TiN. provocou redução da tenacidade das ferramentas. • Oxicarboneto de Titânio. Segundo Suh (1976) em 1966 foi realizado um estudo sobre a possibilidade de se alterar as características da superfície do metal duro por meio de reações de oxidação. • Nitreto de Titânio. resultado dos esforços de fabricantes suíços que tinham como objetivo aumentar a vida dos componentes de seus relógios (Suh. No processo CVD. que ocorrem em uma faixa de temperaturas entre 900 e 1100 ºC. a deposição dos revestimentos ocorre por meio de reações químicas. embora não houvesse evidências suficientes para garantir que as propriedades térmicas seriam responsáveis pela falha catastrófica das ferramentas. as ferramentas revestidas com TiC apresentava desempenho insatisfatório. Essas ferramentas apresentaram excelentes resultados no que se refere à resistência ao desgaste abrasivo. 1976 e Hatschek. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte Em 1969 foram colocadas no mercado as primeiras ferramentas revestidas com TiC. No processo MT-CVD a deposição é feita a partir da acetonitrila (CH3CN) em temperaturas entre 750 e 900 ºC. al. a melhoria da qualidade das superfícies das peças usinadas e o aumento da vida das ferramentas obtido com a utilização de ferramentas revestidas. 1974). A elevada fragilidade dessa camada seria responsável pela quebra da ferramenta.. 1977) que. como a própria nomenclatura indica. Foi constatado posteriormente (Leverents. O desenvolvimento dos revestimentos nas décadas de 1970 e 1980 foi considerável. O processo PA- Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 129 . Esse comportamento foi. Segundo Hunt et. adesivo. Os processos de aplicação dos revestimentos são um importante aspecto na evolução dos revestimentos para ferramentas de corte. no processo de torneamento. O comportamento de ferramentas revestidas com TiC mostrou-se dependente do processo de usinagem em que eram empregadas. No processo de fresamento. na interface revestimento/substrato com aproximadamente a mesma espessura da camada de revestimento. durante o processo de deposição do revestimento de TiC. entretanto. O processo CVD apresenta duas variantes: o CVD a médias temperaturas (MT-CVD) e a deposição CVD assistida por plasma (PA-CVD). desenvolvidas pela Sandvik (Suh. atribuído à diferença de coeficiente de dilatação térmica em relação ao substrato. Os problemas apresentados pelos revestimentos foram resolvidos por meio de inovações nos materiais e nos processos de obtenção. ocorria a formação da chamada camada “eta” (Co3W3C). oxidação e deformação plástica (Lee et al. (1990) a produtividade chegou a atingir níveis de duas a três vezes maior. A princípio as ferramentas eram revestidas pelo processo de deposição química. 1983). fato justificado pelo aumento da produtividade. a princípio. conhecido como CVD (“chemical vapour deposition”). quando comparadas a ferramentas não revestidas. A principal característica do processo PVD é a faixa de temperatura. Hunt et. No processo PVD. al. a obtenção de revestimentos com granulometria mais fina e a possibilidade de revestir cantos vivos. apresentadas a seguir: Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 130 . A baixa pressão permite que. O processo PVD apresenta algumas variáveis. que formam o material do revestimento. embora haja referência de sua utilização (Sadahiro et. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte CVD ocorre na faixa de temperaturas entre 600 e 900 º C e utiliza uma descarga pulsada com o objetivo de catalisar a reação. TiN. Ao longo dos anos foram surgindo modificações no processo solucionando alguns problemas apresentados pelo processo CVD.. os materiais sólidos que irão participar da formação dos revestimentos passem para o estado gasoso sem passar pelo estado líquido. O processo de deposição física PVD (“physical vapour deposition”) surgiu na década de 1970 com a deposição de TiN sobre ferramentas de aço-rápido. • Revestimentos multicamadas alternadas: esse processo surgido em meados da década de 1980 consistiu na redução da espessura de cada camada sem alterar a espessura final do revestimento. são obtidos a partir de gases reativos ou de materiais sólidos sublimados no interior do forno por meio de descarga elétrica. em torno de 500 ºC que traz benefícios como a possibilidade de revestir substratos de aço-rápido. por meio de aquecimento. Na década de 1980 o processo foi adaptado para revestir ferramentas de metal duro. • Revestimentos multicamadas: formados por combinações de TiC. (1990) apresenta uma síntese dos principais aspectos da evolução dos revestimentos para ferramentas de corte na década de 1980. a deposição ocorre por meio de vapores gerados no interior de fornos a baixa pressão. al. 1977). TiCN. Al2O3 e ocasionalmente HfN que resultam em um revestimento de espessura total próxima a 10 µm. Os vapores. O desenvolvimento dos revestimentos multicamadas possibilitou o aumento da vida e do campo de aplicação das ferramentas. a prevenção da formação da fase “eta”. A elevada faixa de temperaturas utilizada no processo CVD original era responsável pelo surgimento da camada “eta” e tornava-o não indicado para o revestimento de ferramentas de aço rápido. tendo como resultado a elevação da dureza devida à redução do tamanho de grão dos revestimentos. com o objetivo de eliminar contaminantes presentes na atmosfera e baixar a pressão no interior do forno. A seguir o forno é aquecido e é injetado o gás inerte que será ionizado. Gás inerte Filamento para aquecimento Ar Gás reativo Bomba de vácuo substratos Material do 150 – 250 ºC revestimento Figura 8. As peças ou componentes a serem revestidos são inspecionados e limpos antes de serem conduzidos ao forno.Representação esquemática do processo de deposição PVD. Em seguida o gás reativo é injetado no interior do forno. reage com os vapores presentes na atmosfera do forno e é depositado sobre o substrato. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte A). É formado o arco elétrico entre o filamento e a porção sólida do revestimento. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 131 .1 mostra.1 . O processo de deposição propriamente dito tem início com o acionamento da bomba de vácuo. O processo permite a sublimação de materiais com diferentes pontos de fusão. permitindo a “evaporação” do material sólido que irá compor o revestimento. O substrato é carregado eletricamente com o objetivo de facilitar a deposição. O princípio de funcionamento da deposição PVD por “sputtering”. “Sputtering” Por esse processo o metal é sublimado no interior do forno. é mostrado de forma esquemática na Figura 8. Evaporação por arco Esse processo distinge-se por aplicar uma quantidade maior de energia. • Al2O3. O plasma é gerado pelo material ionizado. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 132 . o que possibilita um melhor controle do processo. • SiC. • CrN. • TiN. 8. O resultado do processo de evolução descrito nessa seção foi desenvolvimento de uma variedade de revestimentos disponíveis hoje. • WC/C. • DLC. • TiAlN. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte B). • TiC. Na seção a seguir é feita a apresentação dos revestimentos e suas principais características.2 Revestimentos da atualidade Os principais tipos de revestimento disponíveis na atualidade são apresentados a seguir: A) Revestimentos depositados pelo processo PVD: • TiN. • TiCN. • MoS2. Feixe de elétrons de alta energia Essa variante do processo tem a característica de oferecer a ionização do plasma mais bem balanceada. B) Revestimentos depositados pelo processo CVD: • Diamante. Uma pequena região é “evaporada” por meio de aplicação de uma quantidade elevada de energia. C). O TiN apresenta a boa relação custo-benefício como principal aspecto positivo.1. É indicado em casos em que peças de diferentes materiais são usinadas pela mesma ferramenta. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 133 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte As principais características dos revestimentos são apresentadas na Tabela 8. . 5 – 3 1.25 0.07 0. Universal Torneamento e Furação. cinza Verde oliva vermelho escuro Espessura (µm) 1.3 0.000 20 – 50 Coeficiente de atrito contra o aço 0. furação furação e furação rosqueamento.1 0.5 Dureza (HV0.5 – 3 4–8 1 –5 3 .4 0. Wisley Falco Sales . 1998) Revestimento TiN TiAlN TiCN Multicamadas DLC MoS2 Processo de deposição PVD PVD PVD PVD CVD PVD Temperatura de deposição (ºC) 450-500 350-(270*) 450-500 450-500 1000 100-150 Substrato Aço –rápido e Aço –rápido e Aço–rápido e Aço–rápido e Metal duro com Aço–rápido e metal duro metal duro metal duro metal duro <6% Co metal duro cermet Estrutura Mono Mono Multi Multi Mono Mono Número de camadas 1 1 (2**) Mínimo 7 Mínimo 42 1 1 Cor Dourado Preto-violeta Cinza-violeta Violeta. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte Tabela 8.05 – 0.1 – Principais características dos revestimentos (Cselle.15 Condutividade térmica (kW/mK) 0.3 . 0. Aço-rápido e Não *** Aço-rápido e Não Sim rápido metal duro metal duro Novo revestimento Sim Sim Somente TiN Sim Não Sim Aplicação de novo revestimento 5X 5X 2X 5X .1 Máxima temperatura de trabalho 600 800 450 800 600 800 (ºC) Remoção do revestimento Somente aço.2 – 0.05 0.05 2 <0.10 0. *** possível em laboratório. rosqueamento alargamento e fresamento Especialidades Custo/benefício Usinagem a Resistência ao Custo/benefício Prevenção da seco impacto resistência ao aresta postiça impacto e corte de corte e a seco resistência à água e óleo * baixa adesividade da camada a baixas temperaturas de deposição.05) 2200 3300 3000 3500 10. 5X sem remoção do antigo Ideal para a usinagem dos Universal Ferro fundido e Aço Universal Grafite Al-Si A. Sandro Cardoso Santos e Prof. ** Al2O3 devido à oxidação. Prof. Al-Si e aço materiais Al-Si Processo de usinagem Universal Torneamento e Fresamento. dando origem à alumina.3 Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 136 . 1998). A resistência ao desgaste do TiAlN deve-se ao fato de que.2.2 . ocorre uma reação de oxidação na superfície do revestimento. O desempenho de brocas de metal duro com diferentes revestimentos na furação de ferro fundido cinzento é mostrado na Figura 8. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte O TiAlN é indicado para usinagem de materiais abrasivos. como o ferro fundido e as ligas Al-Si. O resultado de um estudo comparativo de desempenho entre brocas de metal duro não revestida e revestida com TiAlN é apresentado na Figura 8.Comparação entre o desempenho de brocas de aço-rápido e metal duro (K10) revestidas na furação do ferro fundido cinzento GG25 (Cselle. Sua elevada resistência ao calor torna-o adequado para a usinagem a seco. Vida da Fe rrame nta Lf (m) 120 100 diâm etro = 8 m m f = 0.25 m m / ver TiN 80 GG25 60 TiCN l/d = 3 40 TiAlN 20 0 Aço-rápido Vc = 40 Metal duro Vc = 130 m /m in m /m in Figura 8. durante a usinagem. 1998). O revestimento TiCN apresenta melhor desempenho tanto no substrato de aço- rápido quanto no de metal duro. Apresenta desempenho satisfatório em substratos de aço-rápido e metal duro.3 . O TiCN apresenta bons resultados na usinagem de aços.Esquema da propagação de trincas em revestimentos de TiCN e TiAlN (Cselle.Comparação de desempenho entre brocas de metal duro não revestida e revestida com TiAlN na furação do ferro fundido GH 190 Vc = 110 m/min.5 apresenta uma comparação de desempenho de brocas de metal duro e aço-rápido com diferentes revestimentos na furação do aço 43CrMo4 (1000N/mm2). 3 µm ATÉ 7 µm TiAlN TiCN SUBSTRATO SUBSTRATO Figura 8. situação ilustrada na Figura 8. O TiN tem melhor desempenho que o TiAlN em brocas de aço-rápido. comportamento que aparece Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 137 . fato que pode ser justificado pela sua característica de não permitir a propagação de trincas até o substrato.4.4 .5.25 mm/volta. l/d = 4. Uma característica importante é a sua estrutura multicamadas que evita que uma trinca formada na superfície se propague até o substrato. 1999). A Figura 8. furo passante (Santos. FISSURAS MAX. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte Com prim e nto usina do (m ) 30 25 20 15 10 5 0 S em revestim ento TiA lN Figura 8. f = 0. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte invertido no caso das brocas de metal duro. Nota-se que. Um fator negativo do revestimento de TiCN é o fato de que a aplicação de um novo revestimento após a reafiação ainda não é possível em escala comercial. Como a deformação das brocas de metal duro é menor. o TiAlN tem desempenho superior ao verificado para o TiN. Esses resultados são explicados pela estrutura e pela fragilidade do TiAlN. o desgaste do TiAlN tem o mesmo comportamento apresentado pelo TiN. no início da vida. o que é explicado pelo fato de o TiAlN não apresentar sinais de desgaste antes do surgimento de trincas.09 mm/volta Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 138 . O aço-rápido deforma-se com maior intensidade. que se propagam rapidamente para o substrato. Vida da ferramenta Lf 30 25 20 TiCN 15 TiN (m) 10 TiAlN 5 0 15 20 25 30 35 Velocidade de Corte (m/min) Brocas de aço-rápido f = 0. A partir do surgimento das trincas.6. o que faz com que surjam trincas no revestimento. A evolução do desgaste na furação do aço 42CrMo4V com brocas de metal duro revestidas com TiN. Normalmente deposita-se o TiN após a reafiação. TiAlN e TiCN é mostrada na Figura 8. o TiAlN apresenta menor desgaste em relação ao TiCN. material aço 42CrMo4 (Cselle.15 mm/volta. vc = 70 m/min. f = 0.6 . O CrN apresenta bons resultados na usinagem de cobre nas operações de torneamento. Segundo informações obtidas junto a um Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 139 .Comparação de desempenho de brocas de aço-rápido e metal duro na furação do aço 42CrMo4.5 .15 mm/volta Figura 8. l/d = 3 (Cselle. 1998). d = 8 mm. 500 VB (micrometros) 400 TiCN 300 TiN 200 TiAlN 100 0 0 10 20 30 40 50 60 Vida da ferramenta Lf (m) Figura 8. rosqueamento e alargamento. furação. fresamento. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte Vida da ferramenta Lf 60 50 40 TiCN (m) 30 TiN 20 TiAlN 10 0 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Velocidade de corte (m/min) Brocas de metal duro f = 0.Comparação entre a resistência ao desgaste de brocas de metal duro com diferentes revestimentos. O WC/C é um revestimento com características lubrificantes. 1998). diâmetro dos furos = 8 mm. É aplicado sobre uma camada de TiAlN. especialmente indicado para a furação e o rosqueamento de materiais que formam cavacos longos. l/d = 3. 8 mm. Um fator importante que deve ser levado em consideração antes de se optar por uma ferramenta revestida é a necessidade da aplicação de um novo revestimento Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 140 . fatores que podem resultar em aumento da produtividade. TiAlN e revestimento multicamadas na furação de ferro fundido. Segundo Cselle (1998). diâmetro 11. Vc = 110m/min. uma broca revestida com WC/C aplicado sobre o TiAlN permite quase triplicar o número de furos em relação ao obtido com uma ferramenta revestida com uma camada simples de TiAlN. critério de fim de vida VB = 0.Desempenho comparativo entre brocas revestidas com TiN. São constituídos de até 25 camadas que formam uma cobertura com espessura entre 1 e 4 µm (Balzers. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte fabricante. l/d = 3 furo cego. O MoS2 é aplicado sobre revestimentos com boa resistência ao desgaste.4 mm/volta (Cselle. a aplicação de apenas MoS2 sobre brocas canhão aumenta sua vida para 180 minutos.7 . comparados à 60 minutos para a broca sem revestimento. f = 0.7 mostra a vida obtida na furação com brocas de metal duro revestidas com TiN. 2000). ainda a redução do torque na furação Os chamados revestimentos multicamadas foram desenvolvidos com a finalidade de reunir os aspectos positivos do TiN. O WC/C permite. TiCN e do TiAlN.8 mm. V ida da fe rra m e nta Lf (m ) 120 100 80 60 40 20 0 TiN TiA lN m ultic am adas Figura 8. As propriedades lubrificantes do MoS2 facilitam a remoção dos cavacos e contribuem para evitar a formação da aresta postiça de corte. A Figura 8. TiAlN e revestimento multicamadas na furação do GG25. 1998). Vc = 78 m/min.5 mm. l = 13.8 . V ida da fe rra m e nta Lf(m ) 50 S em revestim ento 40 30 TiN 20 Reafiada sem 10 novo reves tim ento 0 K 40 P 40 P 25 Figura 8.15 mm/volta 200 l = 60 mm 0 AlSi GGG40 AlSi12 Vc = 177 m/min f = 0.6 mm. 1998). V ida da fe rra m e nta Lf(m ) Diâmetro = 8.9. 1998).8 e 8. A aplicação de um novo revestimento aumenta o período de tempo entre o final de vida da ferramenta até o momento em que ela retorna à linha de produção. que foram reafiadas e que não receberam um novo revestimento apresentam desempenho próximo ao das ferramentas novas e consideralvelmente superior ao das ferramentas não revestidas.Efeito do revestimento na usinagem de aço 38MnV35. Resultados de investigações mostram que ferramentas revestidas. f = 0.Comparação de vida entre ferramentas novas e reafiadas que não receberam novo revestimento na usinagem de materiais abrasivos (Cselle. como ilustram os gráficos das Figuras 8. diâmetro = 12. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte após a reafiação.5 mm 1400 Fluido de corte: 80 1200 bar 1000 Óleo integral 800 Nova 600 Reafiada GGG40 Vc = 130 m/min 400 f = 0.9 . (Cselle.28 mm/volta Figura 8.25 mm/volta. o que implica na necessidade de se manter em estoque um número maior de ferramentas. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 141 . 3 Propriedades dos Revestimentos A seção anterior apresentou resultados que mostram o desempenho dos revestimentos existentes no mercado. Diâmetro = 6 mm. 8. Essa seção reúne resultados de pesquisas de diferentes áreas do conhecimento que tratam do estudo das propriedades dos revestimentos. furos passantes (Santos et al. o que dificulta a sua compreensão.10 mostram que das cinco ferramentas testadas. f = 0. (1979).9. três apresentaram maior vida após reafiadas.10. l = 15 mm. Esse mesmo argumento pode justificar os resultados apresentados na Figura 8. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 142 . Os resultados apresentados na Figura 8. O estudo dessas propriedades envolve conhecimentos multidisciplinares e variáveis de comportamento sistêmico. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte O desempenho de ferramentas de aço-rápido revestidas com TiN novas e reafiadas na furação do aço ABNT 1045 é mostrado na Figura 8. V ida (núm e ro de furos) 500 400 300 Nova 200 Reafiada 100 0 Lote A Lote A Lote A Lote B Lote C Figura 8. Segundo Kanai et al.15 mm/volta. Vc = 30 m/min..10 . a grande dispersão dos resultados de ensaios de vida em brocas é atribuída à falta de acuracidade na afiação.Desempenho de brocas de aço-rápido revestidas com TiN novas e reafiadas sem novo revestimento. 2002). O melhor desempenho de um revestimento em relação aos demais é atribuído a um conjunto de propriedades. (1998) e Sjöstrand et. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte Segundo Prengel et. A grandeza que indica a estabilidade química é a energia livre de formação.11. • Boa adesividade com o substrato. Estabilidade Química A inércia química é uma propriedade importante pois indica a propensão de haver difusão entre o material da peça e do revestimento na faixa de temperatura atingida na usinagem. al. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 143 . • Dureza a quente. • Baixa condutividade térmica. • Propriedades desejáveis: • Espessura ótima. (2001) as principais propriedades dos revestimentos são: • Propriedades essenciais: • Estabilidade química. al. • Tensões residuais de compressão. • Baixa adesividade com o material da peça. A). Os valores de energia livre de formação em função da temperatura de alguns revestimentos depositados pelo processo CVD são mostrados na Figura 8. Dureza Os revestimentos de dureza elevada e que a mantêm a altas temperaturas contribuem para o aumento da resistência ao desgaste..11 . fato que justifica o melhor desempenho do TiAlN no corte em altas velocidades (Prengel et al. 1998). apresentam a maior estabilidade química. Dos revestimentos depositados pelo processo PVD.Energia livre de formação de revestimentos depositados pelo processo CVD (Hunt et al. B). apesar de ocorrer devido à reação triboquímica (difusão) é também reduzida quando se utiliza revestimentos de elevada dureza. A elevada estabilidade química dos revestimentos a base de diamante faz com que estes sejam uma boa indicação para a usinagem de metais não ferrosos que possuem segunda fase com características abrasivas (ligas AlSi) e não metais que não reagem com o Carbono (compósitos e plásticos reforçados). por apresentarem a menor energia livre de formação. o que reduz a tendência de surgimento do desgaste abrasivo. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte 0 -10 WC -20 Energia livre de formação (kW/g) -30 TiC -40 -50 -60 -70 TiN -80 -90 -100 -110 Al2O3 -120 0 500 1000 1500 2000 o Temperatura ( C) Figura 8. A tendência de formação do desgaste de cratera. o TiAlN apresenta maior estabilidade em relação ao TiN e ao TiCN.11 os revestimentos de Al2O3.. De acordo com a Figura 8. 1990). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 144 . TiC e Al2O3. estrutura e contorno do grão). As elevadas temperaturas que surgem na interface cavaco-ferramenta são o fator limitante da velocidade de corte adotada para um par ferramenta-peça. associado às tensões residuais de compressão. Os revestimentos PVD apresentam maior densidade de discordâncias em sua estrutura cristalina. o que favorece a difusão do material do revestimento. Para a aplicação de revestimentos de diamante. a remoção do cobalto da superfície é fundamental para a boa adesividade. depositados pelo processo CVD. Werthein et al. (1982). E). O bombardeio de elétrons da deposição assistida por plasma gera defeitos na estrutura cristalina do substrato. O revestimento TiN de granulometria fina. Para isso faz-se um ataque e um tratamento térmico da superfície antes da deposição do revestimento. Ferramentas com menor condutividade térmica tendem a receber uma quantidade menor do calor gerado na zona de cisalhamento secundária. Condutividade térmica Sjöstrand et. Adesividade No processo de deposição CVD a nucleação do revestimento se dá pelo processo de interdifusão. que possui maior dureza. al. fazendo com que uma maior porção do calor gerado seja transferido ao cavaco. podem contribuir para a elevação da dureza do revestimento. concluiu que a Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 145 . depositado pelo processo PVD. (2001) considera a baixa condutividade térmica do revestimento como uma propriedade determinante para o bom desempenho dos revestimentos. tem desempenho comparado ao TiN depositado pelo processo CVD. D). Cselle (1998) afirma que as propriedades termoisolantes dos revestimentos são determinantes para o sucesso da usingem a seco e a usinagem a altas velocidades. fato que. Microestrutura e morfologia O tipo e os parâmetros do processo de deposição do revestimento são determinantes para a formação da microestrutura dos revestimentos (tamanho. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte C). ao avaliar a relação entre as propriedades térmicas e a resistência ao desgaste dos revestimentos TiN. Sobre eles é aplicada uma carga normal. Células de carga posicionadas nas direções dos eixos dos cilindros permitem o controle da força normal e a determinação da força de atrito.4 Ensaios de Laboratório para Caracterização de Revestimentos Este tópico apresenta alguns ensaios de laboratório desenvolvidos com o objetivo de caracterizar os revestimentos.13 . carga normal crítica e espessura da camada. com base na resistência ao desgaste. As Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 146 . a taxa de desgaste ou a profundidade máxima do desgaste e a carga normal crítica. A). com eixos dispostos em direções perpendiculares. 8. O desenho esquemático da montagem do ensaio é mostrado na Figura 8. Tanaka (1980). ao investigar o desempenho de ferramentas de cermet (TiC e TiN) revestidas com TiN. Ensaio de Deslizamento Cilindros em Cruz O ensaio de cilindros em cruz é constituído de dois cilindros. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte maior resistência do Al2O3 a todos os mecanismos de desgaste está relacionada com a sua inércia química e a menor condutividade térmica entre os três revestimentos estudados. CILINDRO NÃO REVESTIDO MOVIMENTO DE ROTAÇÃO CARGA NORMAL CILINDRO MOVIMENTO DE REVESTIDO TRANSLAÇÃO Figura 8. O ensaio permite determinar o coeficiente de atrito entre as superfícies. coeficiente de atrito.Montagem esquemática do ensaio de deslizamento cilindros em cruz. obteve uma boa co-relação entre o desgaste de flanco e a condutividade térmica das ferramentas. um deles revestidos.13. um deles realiza o movimento de rotação o outro movimenta-se na direção paralela ao eixo do cilindro em movimento. A taxa de desgaste e o coeficiente de atrito foram determinados em função da velocidade e da distância de deslizamento. exceto no ensaios realizados a altas velocidades. fato que é atribuído à formação de uma camada fina de Al2O3 que retarda o início do desgaste e pode ter ação lubrificante. A potencialidade do ensaio pode ser exemplificada pelo trabalho de Larson et al. respectivamente. os materiais do corpo e contra-corpo e os revestimentos. o que pode ser explicado pelo fato de os revestimentos de TiN e TiAlN não apresentarem diferenças significativas nos valores de dureza a quente. a dureza e a resistência ao desgaste apresentam uma boa relação. uma vez que no caso dos revestimentos. As Figuras 8. TiAlN e sem revestimento e um contra-corpo de aço liga. a carga normal. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte variáveis do ensaio são a velocidade de deslizamento. A força normal foi mantida constante. onde o TiAlN apresenta desempenho ligeiramente superior. Os resultados mostraram que a taxa de desgaste dos cilindros revestidos foi praticamente nula nas duas situações.14 e 8. (1991) que utilizou cilindros de aço rápido com 6 mm de diâmetro revestidos com TiN.15 mostram a variação do coeficiente de atrito em função da velocidade e da distância de deslizamento. ao passo que o cilindro não revestido apresentou aumento exponencial com a velocidade de deslizamento e queda exponencial com a distância de deslizamento até estabilizar-se em um valor próximo a 1. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 147 . O coeficiente de atrito dos cilindros revestidos com TiN e TiAlN apresentaram valores próximos. O revestimento é sempre colocado em contato com uma região nova do contra-corpo. Os gráficos mostram que os coeficientes de atrito obtidos para os cilindros revestidos foram menores que os obtidos para o cilindro não revestido.10-15 m2/N. O comportamento dos revestimentos em relação ao desgaste também não apresentou diferença significativa. as condições de lubrificação. 4 TiN 0. 1991). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte Coe ficie nte de a trito 0. Coe ficie nte de a trito 0. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 148 .2 TiA lN 0 5 25 75 150 Distâ ncia de de sliz a m e nto (m ) SR = cilindros sem revestimento TiN = cilindros revestidos com TiN TiAlN = cilindros revestidos com TiAlN Figura 8.15 .Coeficiente de atrito em função da velocidade de deslizamento - distância de deslizamento de 150m (Larson et al. 1991).6 SR 0.Coeficiente de atrito em função da distância de deslizamento - velocidade de deslizamento de 60 m/min (Larson et.2 TiA lN 0 30 60 90 V e locida de de de sliza m e nto (m /m in) SR = cilindros sem revestimento TiN = cilindros revestidos com TiN TiAlN = cilindros revestidos com TiAlN Figura 8.6 SR 0..8 0..4 TiN 0. al.14 .8 0. da velocidade de deslizamento e da natureza do contra-corpo nos resultados do ensaio. A carga normal crítica decresce com o aumento da velocidade de deslizamento. 1994). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte Sato et.16 . (1994) verificaram a influência da carga normal.16 revestimento δ B substrato Figura 8. definido com λ = δ / PL δ<B (8.. P é a carga normal. L é a distância de deslizamento. uma vez que tanto a carga normal crítica quanto a máxima distância de deslizamento dependem da espessura do revestimento.1) onde: δ é a profundidade do desgaste.Representação esquemática da forma normal do desgaste no ensaio dos cilindros em cruz (Sato et al. a partir da qual ocorre adesão entre o corpo e o contra-corpo. Um parâmetro que leva em conta a espessura do revestimento foi definido como taxa de desgaste específica (λ). de modo diferente para cada tipo de revestimento. Os parâmetros para a determinação de λ são mostrados na Figura 8. B é a espessura do revestimento. al. Como de um modo geral o ensaio é utilizado para comparar a resistência ao desgaste de diferentes revestimentos. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 149 . é necessário definir um parâmetro específico de comparação. Foi determinada uma carga normal crítica. 17. além de fornecer o valor da espessura do revestimento.. λm = B / L0 (8. durante toda a distância de deslizamento percorrida até atingir o substrato. al. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 150 . 1997). dispersas em água e aplicadas entre a amostra e uma esfera em rotação. O esquema da montagem do ensaio é mostrado na Figura 8. O ensaio permite a determinação simultânea dos coeficientes de desgaste do revestimento e do substrato. por meio de partículas abrasivas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte Quando o valor de δ se iguala a B diz-se que λ representa o desgaste médio efetivo.2) λm representa a taxa média de desgaste do revestimento em todo o percurso efetivo de deslizamento.. O valor de λm depende do valor da força normal aplicada e da velocidade de deslizamento (Sato et al. B) Ensaio de Microabrasão por Impressão de Calota Esférica O ensaio de microabrasão por impressão de calota esférica. O equipamento permite o controle da carga normal aplicada e do número de rotações da esfera. ou seja. também conhecido por “calowear” é o resultado da evolução de uma série de ensaios de abrasão desenvolvidos a partir da década de 1920 (Rutherford et. 1994). representado por λm. O ensaio consiste em imprimir uma calota esférica sobre a superfície da amostra. al.F = ks – kc πt . 1997). ks = coeficiente de desgaste do substrato (m2/N).kc ks b4 ks 64. F = carga normal (N). t = espessura do revestimento (m).πRt2 + 1 π b4 ks. da distância de deslisamento e dos diâmetros “a” e “b” das impressões.Esquema do ensaio de microabrasão.3) Onde: L = distância total de deslizamento (m). Os coeficientes de desgaste do revestimento e do substrato são calculados em função da carga normal aplicada.. mostrados na Figura 8. R = raio da esfera rotativa (m).17 . Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 151 . A espessura do revesimento é calculada em função dos valores de a e b. O desenvolvimento matemático resulta na expressão (Rutherford et. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte Suporte para a amostra Esfera Motor elétrico Vista frontal Amostra Célula de Vista lateral carga Figura 8.18.R (8. L. b = diâmetro total da impressão (m). para superfícies planas. 2 .73 0.Desenho esquemático da vista superior das impressões na superície da amostra.94 16.18 .2.8 4. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte kc = coeficiente de desgaste do revestimento (m2/N).52 0. (1996) em ensaios de caracterização de revestimentos utilizados em insertos de metal duro no processo de fresamento são mostrados na tabela 8.1 1200 1. al.1 (µm/passe) Kc Ks 1. 1996).19.3 2.78 0.84 15. 2.4 3.Resultados dos ensaios de dureza.14 0.97 4. TiCN “Sputtering” 3.6 HSS . 970 . de acordo com a Tabela 8. Coeficientes de desgaste Revestimento Deposição Espessura Dureza (x10-12 m2/N) VB (µm) HV0.6 1670 0. CrN “Sputtering” 3.0 1470 1. 2.2.23 0. TiCN Evap. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 152 .M2 .1 1950 0. TiAlN “Sputtering” 2. 0. Os resultados obtidos por Rutherford et al. Tabela 8. microabrasão e fresamento de revestimentos depositados sobre o aço-rápido M2 (Rutherford et. Térm. Térm.97 125 A relação entre o coeficiente de desgaste dos revestimentos e suas respectivas taxas de desgaste é mostrada na Figura 8.99 15.2 1800 0. TiN Evap. Revestimento Substrato b a Figura 8.6 5.85 36. CrN 5. Trezona et al. TiN 3. para o fresamento. principalmente a fração de abrasivo. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte 2 VB (µm/passe) 1. TiCN 4. CrN 5. e a carga sobre a amostra. TiCN 2.5 0 1. a fração volumétrica de abrasivo em mistura com a água. (1999) observou a mudança do mecanismo de desgaste abrasivo a três corpos para desgaste abrasivo a dois corpos por meio da elevação da carga aplicada e da redução da fração volumétrica de abrasivo.19 . TiCN 2. A variação dessas grandezas. 1996).. Com base nos gráficos da Figura 8.Gráficos comparativos do coeficiente de desgaste e da taxa de desgaste dos revestimentos (Rutherford et al. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 153 . TiN 3. TiCN 4. TiAlN 40 Kc (x 10-12 m2/N) 30 20 10 0 1. existe uma boa co-relação entre os coeficientes de desgaste medidos pelo ensaio de microabrasão e as taxas de desgaste das ferramentas. TiAlN Figura 8. permitem a alteração do mecanismo de desgaste predominante.5 1 0.19 pode-se concluir que. tipo e tamanho de grão do abrasivo e a rotação da esfera. As variáveis do ensaio de microabrasão são a carga aplicada sobre a amostra. A forma como ela é feita não estabelece o critério de transição entre uma adesividade considerada boa para uma adesividade ruim. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte C). A Figura 8.Identação com penetrador HRC para determinação da adesividade dos revestimentos. 8. A avaliação da adesividade de revestimentos necessita do desenvolvimento de uma metodologia que permita quantificar os resultados.20 mostra exemplos de avaliação da adesividade de revestimentos. baseada em critérios subjetivos. que hoje apresentam bons resultados na usinagem de alumínio. As características que tornam esse material promissor são: Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 154 .5 Perspectivas para o Futuro Segundo Hogmark et al. BOA Cone de diamante Revestimento PVD Substrato Identação HRC RUIM Figura 8. Esse procedimento permite apenas uma análise qualitativa.20 . Novos materiais Deve ocorrer aumento do campo de aplicação dos revestimentos diamantados. (2000) a evolução dos revestimentos deve se dar no campo de desenvolvimento de novos materiais e novas estruturas de camadas. Ensaios para verificar a adesividade dos revestimentos O procedimento adotado para a determinação da adesividade do revestimento ao substrato é a identação com penetrador Rockwell. A). uma vez que o Al2O3 possui propriedades (inércia química. Tais compostos possuem estrutura semelhante à do diamante e são estáveis a temperaturas inferiores a 600 ºC. Acima dessa temperatura ocorre perda do Nitrogênio. material que possui a segunda maior dureza entre os materiais conhecidos (em torno de 5200 HV) possui futuro promissor na aplicação como revestimento. apresentam dureza superior à dos seus componentes isolados. segundo vários autores apresentam elevados valores de dureza e tenacidade. Sua estrutura lamelar obstrui a propagação de trincas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte • Elevada dureza e resistência ao desgaste. Os revestimentos multicamadas com estrutura cristalinas similares tendem a formar cristais colunares que se estendem através de toda a espessura do revestimento. desde que as camadas sejam suficientemente finas. seja por meio da aplicação de diferentes materiais ou por meio de alteração da espessura de cada camada individual. que apresentam estruturas periodicamente repetidas. Acredita-se que Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 155 . condutividade térmica. Um dos primeiros exemplos desses revestimentos é o TiN-VN e o TiN-NbN que.) que o qualificam como um dos melhores materiais para revestimentos. etc. O Al2O3 atualmente não pode ser depositado pelo processo PVD. O desenvolvimento da técnica de deposição física para esse tipo de revestimento aumentará o seu campo de aplicação. normalmente entre 5 e 25 nm. Estruturas com TiN e TaN apresentam bons resultados na usinagem de aços inoxidáveis. Esses são os chamados revestimentos “supermulticamadas”. Apresentam grande potencial de evolução. • Elevada condutividade térmica. formadas por dois ou mais materiais. Os compostos CxNy têm a característica de apresentar dureza relativamente elevada associada à elevada elasticidade. Os chamados revestimentos “duplex” podem também ter seu campo de aplicação ampliado pelo fato de que a deposição de uma camada intermediária pode garantir o suporte mecânico. no caso de o substrato for um material relativamente macio. resistência ao desgaste. O CBN. • Não é agressivo ao meio ambiente. Os revestimentos multicamadas. • Baixo coeficiente de atrito. Fenômeno similar parece ocorrer para revestimentos finos. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 156 . melhorados com o decréscimo do tamanho de grão (relação de Hall- Pectch). de modo geral. a dureza e a tenacidade de materiais policristalinos são. Além de melhores propriedades mecânicas os revestimentos nanocristalinos podem apresentar maior expansão térmica. O campo de tensões. menor condutividade térmica e melhores propriedades óticas. partículas ou fibras. Os chamados revestimentos multicomponentes são formados por dois ou mais constituintes em forma de grãos. os chamados revestimentos nanocristalinos. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Revestimentos para Ferramentas de Corte isso ocorra devido à excelente tenacidade associada a uma baixa afinidade do TaN com o material da peça. magnéticas e eletrônicas. Apesar de muitos revestimentos de camada única apresentarem estruturas multicomponentes a sua influência ainda é pouco conhecida. com tamanho de grão inferior a 1 nm. Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta 9. 1987). a curva (b) mostra como o resfriamento ocorre cessado o corte. durante um ciclo ou revolução da ferramenta.1 Avarias nas Ferramentas de Corte As ferramentas de corte usadas no corte interrompido (fresamento) são freqüentemente rejeitadas por lascamento. em que a temperatura sobe rapidamente entrando em regime. onde durante o ciclo ativo. na superfície de folga ou saída. será dominante apenas se a ferramenta de corte possuir tenacidade suficiente para resistir aos choques mecânicos e térmicos inerentes a tais processos. há geração de calor. No corte interrompido. aumentando durante o tempo ativo. Com isto a temperatura flutua ciclicamente. uma aresta de corte pode sofrer avarias na entrada. resfriando-a. seguido do ciclo inativo. As temperaturas num corte interrompido flutuam ciclicamente.1. no meio ou na saída do corte. Nesta Figura a curva (a) representa o corte contínuo. aumentando a temperatura da ferramenta. enquanto que a curva (c) é a resultante no corte interrompido. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 157 . A variação cíclica desta temperatura é ilustrada na Figura 9. A influência da temperatura de corte no tipo de falha da ferramenta de corte é bem conhecido.Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta Capítulo 9 Avarias. trincamento ou quebras. diminuindo durante o tempo inativo. Neste tipo de operação o desenvolvimento do desgaste uniforme. 1986 e Palmai. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . As condições térmicas das ferramentas de corte utilizadas em cortes interrompidos têm sido investigadas por vários pesquisadores (Bathia et alli. Resultados destas investigações mostraram que a distribuição de temperatura depende das condições de corte (principalmente velocidade de corte. 1977). Fundamentos da Usinagem dos Materiais . também cíclica.1 . no corte interrompido (Ferraresi. da distribuição da tensão na região de corte da ferramenta.2. Figura 9. do material da ferramenta de corte e do material da peça.Variação cíclica da temperatura de corte no processo de corte interrompido (Palmai. 1987). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 158 .Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta Figura 9. A flutuação cíclica da temperatura na interface cavaco-ferramenta leva a uma modificação. avanço e relação entre o tempo ativo e inativo de um ciclo). o que pode provocar a formação de trincas térmicas. conforme apresentado na Figura 9.Distribuição da temperatura e de tensões em pastilhas de metal duro.2 . as trincas de origem mecânica são as principais responsáveis pelas falhas das ferramentas de corte.. Segundo eles as tensões diminuem gradualmente dentro da ferramenta após ela sair do movimento de corte e perder contato com a peça. com a variação da temperatura de corte.2“b”). A camada superficial. Além da ação cíclica do corte interrompido. essa camada estará submetida à tração.2“a” mostra a curva de distribuição de temperatura em relação à profundidade “X”. tais camadas impedirão o processamento de uma dilatação muito maior na camada superficial (camada de contato cavaco-ferramenta) gerando tensões de compressão (Figura 9.2 “c” e “d”). Wang et alli (1996) apresentaram um estudo teórico e experimental sobre a temperatura da ferramenta e o desenvolvimento de trincas no fresamento e. As trincas térmicas não ocorrem nesse período. Em conseqüência disto. Pesquisadores como Kakino et alli (1984) e Chandraserkaram (1985). haverá tensões de tração a uma certa distância da superfície de contato. Essa flutuação cíclica de tensão promoverá o aparecimento de trincas por fadiga nas ferramentas de metal duro (as ferramentas de aço rápido têm tenacidade suficiente para suportarem as variações de tensões sem nucleação de trincas). enquanto que as camadas subsequentes passarão a ser solicitadas à compressão (Figura 9. isto é. a uma temperatura bastante alta se dilata. que são de origem térmica. Recentemente. terão uma dilatação bem menor. a Figura 9. Porém as camadas subsequentes a temperaturas inferiores. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 159 . têm se dedicado ao estudo da origem destas trincas. levarão ao desenvolvimento do que se conhece por “sulcos desenvolvidos em forma de pente”. Já a velocidades de corte baixas. Como consequência.3. Essas trincas. este fenômeno pode ser provocado por variação da temperatura causado por acesso irregular do refrigerante de corte (Ferraresi.Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta Ferraresi (1977) explica isto da seguinte maneira: “. ilustrado na Figura 9. 1977). Num instante de tempo seguinte. em velocidades de corte elevadas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . O ciclo de entrada e saída de calor é o responsável pelas trincas e fadigas de origem térmicas. com o resfriamento da camada de contato (devido ao tempo inativo).. concluíram que a queda de temperatura na superfície da ferramenta durante o ciclo inativo pode ser desconsiderada. a partir do ponto de contato cavaco-ferramenta. Eles concluíram que elas se tornam a maior causa de falhas na ferramenta. a geometria original da ferramenta de corte. Verifica-se um desgaste progressivo tanto na superfície de folga como na superfície de saída da ferramenta.4 pode-se distinguir pelo menos três formas de desgaste: i) Desgaste de cratera (área A). portanto. A Figura 9.3 .2 Desgaste nas Ferramentas de Corte Durante a usinagem dos metais a ação de cortar muda a forma e. 9. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . 1982).Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta Figura 9.4 .Sulcos desenvolvidos em forma de pente.Principais áreas de desgaste de uma ferramenta de corte (Dearnley e Trent e Wright. ii) Desgaste de flanco (área B). Com base na Figura 9.4 apresenta as principais áreas de desgaste. Figura 9. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 160 . grande parte dos Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 161 . As fotografias apresentadas na Figura 9.4 irá prevalecer. Antes que um desses desgastes atinja grandes proporções. Figura 9. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Mecanismos de Desgaste Em condições normais de corte. de maneira a colocar o processo de corte em risco. e se desenvolver por vários mecanismos. A literatura apresenta variações na classificação dos mecanismos de desgaste. uma das formas de desgaste apresentadas na Figura 9. a ferramenta deverá ser reafiada ou substituída.Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta iii) Desgaste de entalhe (áreas C e D).5 foram obtidas por meio de microscopia eletrônica de varredura e permitem identificar o desgaste de cratera nas ferramentas de corte.5 Desgaste de cratera em ferramentas de corte. porém. 1987). 1977. por altas tensões de compressão ou por entalhe. "Attrition" Figura 9.Mecanismos e processos de desgaste que podem acontecer nas ferramentas de corte (Trent e Wright. As tensões cisalhantes na interface cavaco-ferramenta são suficientes Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 162 . abrasão ou "attrition" atuam isoladamente ou em conjunto.6 podem ser considerados mecanismos de desgaste os de numerais: 3. 1991). promovendo desgastes nas formas de deformação plástica por cisalhamento. sumarizados na Figura 9. e Palmai.6. enquanto são formas de desgaste os de numerais: 1. Os mecanismos de desgaste como difusão.6 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais . A seguir serão definidos cada um destes mecanismos ou formas: 1) Deformação Plástica Superficial por Cisalhamento a Altas Temperaturas Este não é propriamente um mecanismo mas sim um processo de desgaste e ocorre mais provavelmente na usinagem de metais com alto ponto de fusão em ferramentas de aço rápido. 4 e 5. No quadro apresentado na Figura 9. 2 e 6.Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta trabalhos existentes consideram pelo menos seis mecanismos diferentes (Ferraresi. formando-se assim uma cratera como visto na Figura 9. A deformação plástica da aresta de corte pode ser observada na Figura 9.6 ”1”. que ocorre na usinagem dos materiais de alta dureza. Como conseqüência.Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta para causar deformação plástica superficial. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . é reduzida. Geralmente ocorre a altas velocidades de corte e avanço e leva a uma falha catastrófica (Figura 9. 2002) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 163 .7. A combinação de altas tensões de compressão com altas temperaturas na superfície de saída. Devido às altas temperaturas ali desenvolvidas. 2) Deformação Plástica da Aresta de Corte sob Altas Tensões de Compressão Este também é mais um processo do que um mecanismo de desgaste. material é arrancado da superfície da ferramenta. B – ferramenta após chegar ao final de vida (Santos. A B Figura 9. pode provocar deformação plástica da aresta de corte das ferramentas de aço rápido e metal duro. a resistência ao escoamento do material da ferramenta.7 Aspecto da aresta de corte de uma broca de metal duro deformada plasticamente. próximo à interface. A – ferramenta nova.6 ”2”). quando observada no microscópio. se não fosse a existência de uma zona de aderência (zona morta ou zona de fluxo) na interface cavaco-ferramenta (Trent e Wright. geralmente. durante o fresamento.Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta 3) Desgaste Difusivo Este mecanismo envolve a transferência de átomos de um material para outro e é fortemente dependente da temperatura e solubilidade dos elementos envolvidos na zona de fluxo. onde o fluxo de material sobre a superfície de saída torna-se irregular. 4) Desgaste por Aderência e Arrastamento . A saturação desta zona de aderência poderá funcionar como uma barreira à difusão. Entretanto esta zona não é estável e se renova periodicamente. ou podem principalmente ser partículas da própria ferramenta que são arrancadas por Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 164 . Estas partículas podem estar contidas no material da peça (óxidos. com uso de profundidade de corte irregular ou falta de rigidez do equipamento. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . as velocidades relativas entre ferramenta e peça ou entre cavaco e ferramenta são altas e o tempo de contato entre estes materiais é muito pequeno."attrition" Este mecanismo ocorre. A área desgastada. garantindo assim o fluxo difusivo. Este fenômeno geralmente ocorre na zona de escorregamento ao invés da zona de aderência. as áreas desgastadas por "attrition" tem uma aparência áspera. ilustrado na Figura 9. fragmentos microscópicos são arrancados da superfície da ferramenta e arrastados junto com o fluxo de material. Sob estas condições. Este mecanismo de desgaste poderá atuar tanto na superfície de saída como na superfície de folga. e a taxa de desgaste irá aumentar com aumento da velocidade de corte e avanço (Figura 9. carbonetos e carbonitretos). 1991). Em usinagem. Isto praticamente levaria o mecanismo de difusão a ser desprezível. a baixas velocidades de corte. é "lisa". No microscópio.6 ”4”). 5) Desgaste Abrasivo O desgaste abrasivo envolve a perda de material por micro-sulcamento. A aresta postiça de corte pode aparecer e o contato com a ferramenta torna-se menos contínuo.6 ”3”). micro-corte ou micro-lascamento causado por partículas de elevada dureza relativa. Geralmente. Ele ocorre. titânio. Porém. 6) Desgaste de Entalhe O desgaste de entalhe não é propriamente um mecanismo. Marcas de desgaste abrasivo podem ser identificadas na Figura 9. cobalto e aço inoxidável).6 ”5”). cerâmicas puras e cerâmicas mistas (Figura 9. 2004). Existem evidências para sugerir que óxidos se formam continuamente e se aderem na ferramenta naquelas regiões. A quebra das junções de aderência entre os óxidos e a ferramenta pode ocasionalmente.8. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . remover material da superfície desta última (Wright e Biaggi. por exemplo.Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta attrition. nas regiões onde acontece este tipo de desgaste. provavelmente. mas sim uma forma de desgaste. Figura 9. envolve abrasão e transferência de material (difusão e "attrition") e eles são bastante influenciados por interações com a atmosfera. Shaw et alli (1966) afirmam que o entalhe na forma de V é formado pelas rebarbas produzidas nas arestas laterais do cavaco. Este mecanismo de desgaste é muito importante na usinagem usando pastilhas revestidas. ainda não existe um consenso na literatura que explique exatamente o mecanismo que provoca o desgaste de entalhe. na usinagem de materiais resistentes a altas temperaturas e com alto grau de encruamento (tais como: ligas de níquel. principalmente. as condições de escorregamento prevalecem e o mecanismo de desgaste. 1981).8 Identificação de marcas de desgaste abrasivo (Campos. envolvendo um mecanismo de aderência e Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 165 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta arrancamento (Figura 9.6 ”6”). Richards e Aspinwall (1989) também concordam com esta teoria. König e Schemmel (1975) classificam o desgaste por oxidação como um mecanismo de desgaste. Segundo ele, a formação de óxidos é dependente da liga do material da ferramenta e da temperatura de aquecimento. Para materiais de aço ferramenta e de aço rápido, a oxidação praticamente não tem importância, já que a sua resistência a quente é ultrapassada antes que a superfície apresente uma oxidação mais acentuada, embora Trent e Wright e Wright (1999) mostre evidências de formação de óxidos nestas ferramentas. Para as ferramentas de metal duro, compostos a base de carbonetos de tungstênio e de cobalto, a oxidação inicia-se na faixa de temperatura entre 700 a 800 ºC. A adição de óxido de titânio e outros carbonetos dificultam a oxidação. A região de oxidação normalmente se processa na zona de escorregamento da superfície de saída da ferramenta e na parte inferior da superfície de folga (nos limites do desgaste de flanco). São formados óxidos complexos de tungstênio, cobalto e ferro, que em decorrência da sua expansão volumétrica, em relação ao carboneto de tungstênio, forma elevações na superfície da ferramenta, facilitando o lascamento e a quebra da aresta de corte. Todos estes mecanismos ou processos de desgaste são observados na prática. Mas, certamente, um prevalecerá sobre os demais, dependendo principalmente do material da peça e da ferramenta, da operação de usinagem, das condições de corte, da geometria da ferramenta de corte e do emprego do fluido de corte. Em geral, os três primeiros mecanismos, somados ao desgaste por oxidação, são mais importantes a altas taxas de remoção de material, onde há o desenvolvimento de elevadas temperaturas. Os três últimos são mais importantes a baixas velocidades, onde as temperaturas de corte são baixas o suficiente para prevenir a ocorrência dos três primeiros (Machado e Da Silva, 1993). Na ferramenta mostrada na Figura 9.9 pode-se identificar a presença do desgaste de entalhe. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 166 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta Figura 9.9 – Desgaste de entalhe em ferramenta de corte. Na Figura 9.10 mostra-se uma curva de desgaste de flanco em função do número de peças produzidas. Neste caso as peças são blocos motores de ferro fundido cinzento GH 190 (Souza Jr., 2001). 0,60 ap=0,3 mm e fz=0,06 mm/z ap=0,5 mm e fz=0,06 mm/z 0,50 0,40 VBB max[mm] 0,30 0,20 0,10 0,00 50 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 1 Número de Peças Figura 9.10 – Desgaste dos insertos de PCBN com o número de blocos motores (Souza Jr., 2001). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 167 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Vida da Ferramenta e Quantificação do Desgaste Capítulo 10 Vida da Ferramenta e Quantificação do Desgaste 10.1 – Introdução No Capítulo 8 mostraram-se as formas de desgaste predominantes na ferramenta de corte e os possíveis mecanismos atuantes que podem promover estas formas. Neste capítulo serão abordados tópicos relativos à quantificação do desgaste da ferramenta. Antes, é preciso definir vida da ferramenta (Ferraresi, 1976): “Vida da ferramenta é o tempo em que a mesma trabalha efetivamente, sem perder o corte ou até que se atinja um critério de fim de vida previamente estabelecido” O fim de vida de uma ferramenta de corte será definido pelo grau de desgaste previamente estabelecido. O tamanho deste desgaste irá depender de inúmeros fatores. Entre outros, pode-se citar os seguintes: • Receio de quebra da cunha cortante; • Elevadas temperaturas atingidas na interface cavaco-ferramenta; • As tolerâncias dimensionais estabelecidas no projeto já estão comprometidas; • O acabamento da superfície usinada já não é mais satisfatório; • Aumento nas dimensões das rebarbas; • Aumento da força de usinagem; • Aumento do nível de ruído; Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 168 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Vida da Ferramenta e Quantificação do Desgaste • Aumento do nível de vibrações; • Outros. Como expressar a vida da ferramenta Fixado um critério para fim de vida, como exemplo o estabelecido na Norma ISO 3685, ou em experiências acumuladas anteriormente, a vida da ferramenta pode ser expressada de diversas maneiras: • Número de peças produzidas; • Percurso de avanço (mm); • Percurso efetivo de corte (Km); • Velocidade de corte para determinado tempo de vida (ex. vc60 = 150 m/min); • Volume de material removido; • Outros. 10.2 - Estudo das formas de desgaste Neste tópico serão abordados os aspectos característicos da formas dominantes de desgaste, como flanco, cratera e entalhe. Durante o processo de usinagem, ocorre o contato físico da ferramenta com a peça e o contato do cavaco com a ferramenta, em um determinado meio e condições dinâmicas de corte. Isto conseqüentemente acarretará mudanças na geometria e na forma original da aresta da ferramenta, devido a ocorrência de desgaste progressivo. Na Figura 8.4 mostrou-se as principais áreas de desgaste e identifica três formas de desgastes: flanco, cratera e entalhe. A seguir serão apresentados os principais mecanismos associados a cada uma dessas formas. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 169 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Vida da Ferramenta e Quantificação do Desgaste 10.2.1 - Desgaste de Cratera Segundo Aspinwail e Chen (1978), este tipo de desgaste geralmente está associado às elevadas temperaturas geradas na interface cavaco ferramenta, ocorrendo devido a combinação dos mecanismos de desgaste denominados difusão e adesão, e ocorrem na superfície de saída da ferramenta durante o deslizamento do cavaco pela mesma. A máxima profundidade de cratera geralmente ocorre próxima ao ponto médio do comprimento de contato entre o cavaco e a superfície de saída, onde, acredita-se, a temperatura atinja seu maior valor. A posição da cratera relativa a aresta de corte varia de acordo com o material usinado, ocorrendo em geral atrás da aresta de corte. A profundidade e a largura da cratera formada na superfície de saida da ferramenta, estão relacionadas à velocidade e ao avanço empregados durante o processo de corte (Ferraresi, 1977). Pode não ocorrer em alguns processos de usinagem, principalmente quando se utiliza ferramentas de metal duro recobertas (a cobertura de Al2 O3 é a mais eficiente contra a craterização), ferramentas cerâmicas e quando o material da peça é frágil (gera cavacos curtos). O crescimento do desgaste de cratera gera a quebra da ferramenta, quando tal desgaste se encontra com o desgaste frontal.(Diniz et al,1999) 10.2.2 - Desgaste de Entalhe Conforme comentado no item 3.10.6 o mecanismo de formação do entalhe não está bem explicado. Portanto consideraremos que sob certas circunstâncias e condições de operação, um grande entalhe é formado na aresta principal de corte (detalhe ‘O’ da Figura 2.20) , na extremidade livre do cavaco, levando ao enfraquecimento da aresta de corte. Entalhes menores também são formados na aresta secundária de corte (detalhe ‘D’ da Figura 3.13), influenciando principalmente o acabamento superficial produzido. 10.2.3 - Desgaste Flanco Em geral, é o principal fator a limitar a vida das ferramentas de corte. Decorre da perda do ângulo de folga da ferramenta, ocasionando um aumento da área de contato entre a superfície de folga e o material da peça, aumentando consequentemente o atrito naquela área.Todo processo de usinagem causa Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 170 1. caracteriza a necessidade de se proceder a substituição das ferramentas por outras novas Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 171 . justificada pela uniformidade que o contato das arestas da ferramenta passam a ter com o material da peça. verifica-se uma evolução menos acentuada do desgaste. Nesta etapa. A região inicial.1989). denominadas de região primária ou inicial.1 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais . apresentou para representar a evolução do desgaste de flanco VBBmáx com o tempo de usinagem (curva da Figura 10. já na região secundária da Figura 10.1). região secundária ou progressiva e região terciária ou catastrófica.Curva representativa da evolução do desgaste de flanco de uma ferramenta (Smith. Essa nova etapa.Vida da Ferramenta e Quantificação do Desgaste desgaste de flanco. Este desgaste é incentivado pelo aumento da velocidade de corte. Smith (1989) apresentou como justificativa para a ocorrência dessas regiões a própria evolução do desgaste durante o corte. no inicio do processo de corte. tem-se um crescimento bem acelerado do desgaste de flanco. denominada região terciária ou catastrófica. Nesta curva tem-se destacada a evolução do desgaste por regiões. e que normalmente se inicia quando a ferramenta atinge valores de desgaste de flanco máximo da ordem de 0. a evolução do desgaste VBBmax passa outra vez a crescer rapidamente. Beloni (2001) descreve em sua tese o modelo gráfico que Smith (1989).8 mm. Figura 10. Mas com o crescimento do tempo de trabalho. este tipo de desgaste provoca a deteriorização do acabamento superficial e a perda das características dimensionais da peça. é caracterizada pela fase de acerto das arestas cortantes ainda novas sobre a peça. a medida que a ferramenta vai se desgastando. Com o decorrer da usinagem. Fundamentos da Usinagem dos Materiais .3.Critérios para medição de desgaste de uma ferramenta A norma ISO 3685 utiliza os parâmetros KT.2 – Parâmetros utilizados para medir os desgastes das ferramentas de corte (Trent e Wright. KT = 0. d) Falha catastrófica.3).3 . c) Profundidade de cratera. conforme esquematizado na Figura 10.1999).3.Vida da Ferramenta e Quantificação do Desgaste 10. VBB. VBBmáx e VBN para quantificar o desgaste nas ferramentas de corte (Figura 10. 10. Mede-se ainda o valor dos desgastes gerados na superfície de folga pelos entalhes (VBN e VBC). VBBmáx = 0. Figura 10.3 f.Quantificação da Vida da Ferramenta Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 172 . onde f é avanço em mm/rev.3 mm. Na superfície de saída tem-se os desgastes: profundidade de cratera (Kt).06 + 0.6 mm. b) Desgaste de flanco máximo. metal duro e cerâmica é: a) Desgaste de flanco médio. VBB= 0.1 . O critério recomendado para avaliar ferramentas de aço-rápido . largura da cratera (KB) e distância do centro da cratera à aresta de corte (KM). T em min e em relação ao eixo “y”.8 mm. a) Curvas de desgaste b) T x vc. incialmente em levantar pelo menos três curvas de desgaste. Obtida a parte “a” da Figura 10. processo.Vida da Ferramenta e Quantificação do Desgaste Uma metodologia simplificada para expressar a vida da ferramenta. conforme esquematizado na Figura 10. Figura 10.4.3 “b”. consiste. em função da velocidade de corte. Cada ponto tem as suas coordenadas relativas ao eixo “x”.3 – Gráficos auxiliares para expressar a vida da ferramenta em função da velocidade de corte. obtendo-se três pontos “m”. De posse destes pontos constrói-se o gráfico apresentado na Figura 10. máquina e fluido) constantes. vc. deve-se estabelecer o critério de fim de vida da ferramenta e neste caso foi VBBmáx = 0.3. “n” e “o”. T. para três distintas vc. no próximo passo. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 173 .3. correspondentes à vida. mantendo os demais parâmetros (f. correspondentes à vc em m/min. ap. geometria. aplica-se logaritmo nos dois eixos e obtém-se o gráfico mostrado na Figura 10. materiais da ferramenta e da peça. Para linearizar a curva. conduzem a observações que K é a vida da ferramenta para vc = 1 m/min e x é corresponde à inclinação da reta. pela Equação Simplificada de Taylor (Equação 10. ela só tem aplicação dentro da faixa de vc avaliada e para vc menores do que o limite inferior ensaiado.1). Fundamentos da Usinagem dos Materiais .1) As Análises da Equação (10.vc (10. A partir deste gráfico. Esta equação é bastante simplificada.Vida da Ferramenta e Quantificação do Desgaste Figura 10. Isso pode ser estabelecido por meio da Equação Expandida de Taylor. pode ser expressa em função da velocidade de corte.4. Portanto. segundo a Equação (10.1) e da Figura 10. demonstra-se matematicamente que a vida da ferramenta. não é recomendado a sua utilização.4 – Gráfico logT x logvc. T. Uma análise mais realista pode ser realizada para o estabelecimento da relação da vida da ferramenta com os diversos parâmetros que influenciam na usinagem. já que ela por regra geral. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 174 . somente se aplica à região fora da APC (aresta postiça de corte). pois na sua obtenção diversos parâmetros foram assumidos constantes. −x T = K . vc.2). a forma simplificada é freqüentemente obtida. processog .Vida da Ferramenta e Quantificação do Desgaste −a −c T = K . mas o seu grande inconveniente é o enorme tempo de obtenção.2) Nesta equação podem ser incorporados os diversos parâmetros de influência. f −b . consumindo horas de máquina. que definem o Intervalo de Máxima Eficiência (IME). mão-de-obra e materiais.vc . São necessários inúmeros ensaios experimentais. principalmente devido aos coeficientes K e x serem utilizados para a determinação das condições econômicas de corte: velocidade de corte de máxima produção (vcmxp) e de mínimo custo (vcmincus).V d BBmáx . Mas. Em ambientes industriais essa forma expandida praticamente não tem nenhuma aplicação.a p . o que faz com que os custos associados sejam muito elevados. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 175 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais . fluidoe .vibraçãoh (10. Como Agem os Fluidos de Corte Ainda não está completamente claro como o fluido de corte ganha acesso a interface.Fluidos de Corte: Fundamentos. Isto caracteriza a ocorrência das condições de escorregamento e que há a formação de um filme lubrificante de baixa tensão de cisalhamento. Neste capítulo é feita uma revisão desse assunto e apresentada de forma sintetizada para melhor entendimento. ainda outras funções classificadas como auxiliares. que seriam de alguns milhares de Angstrons (Å). Eles ainda propuseram um modelo para estimar as dimensões das capilaridades interfaciais. chegando à ponta da ferramenta por ação capilar. ou seja. Aplicações e Tendências 11. Apresentam.Funções dos Fluidos e Aditivos Utilizados As principais funções dos fluidos de corte são de refrigerar em altas velocidades e de lubrificar em baixas velocidades de corte. a ferramenta e a peça. Merchant (1950 e 1957) e Postinikov (1967) sugerem que o lubrificante penetra contra o fluxo de metal. por meio de experimentos onde usou oxigênio e argônio puros e suas misturas com CCl4 como lubrificantes na usinagem do aço. há falhas de contato. na interface cavaco-ferramenta. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 176 . verificaram que a penetração do fluido depende da pressão de vapor e do tamanho molecular.1 . Williams e Tabor (1977).2 . 11.Introdução Inúmeros trabalhos científicos estão direcionados ao estudo dos fluidos de corte nos processos de usinagem. assumindo que o contato com a interface não é completo. nem até que ponto ele pode chegar. Aplicações e Tendências Capítulo 11 Fluidos de Corte: Fundamentos. Rebinder e Shreiner (1949) apud Smith et alli (1988) apresentaram uma teoria que defende a ação físico-química entre o fluido. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . 2) . com conseqüente redução da temperatura na interface. Este pesquisador reforça esta teoria em outros trabalhos (De Chiffre 1978. há uma redução no comprimento de contato. 3) .Redução na geração de calor. 7) . Este efeito seria mais pronunciado com o aumento da velocidade de saída do cavaco.A formação da aresta postiça de corte é reduzida (também reportado por Trent. 5) . recomendando-se um óleo à base de água. 4) . é direcionado para fora da interface por uma ação hidrodinâmica induzida. mostra evidências. implicando em: 1) . “b”. “c” e 1991) em seus estudos sobre a interface cavaco- ferramenta. Assim o fluido utilizado em altas velocidades de corte teria apenas características refrigerantes. isto é. da existência de uma zona de aderência e que o lubrificante não tem acesso a esta zona.Redução do grau de recalque. o fluido atua na zona de escorregamento. Williams (1977) explica que o fluido perde o efeito lubrificante a altas velocidades de corte. Childs e Rowe (1973) também sustentam esta teoria e comentam que atenção deve ser voltada.Fluidos de Corte: Fundamentos.1991).A velocidade de saída do cavaco é aumentada.O grau de deformação do cavaco é reduzido. Em velocidades de corte mais elevadas.Forças e potências de corte são reduzidas. Segundo ele. os fluidos de corte passam a atuar mais como refrigerantes e menos como lubrificantes. 1981. 1988 “a”.Vibrações são reduzidas. então. nestas condições. Trent (1991) diz que. para a zona de escorregamento. 6) . quando o fluxo de fluido que tende a fluir em direção à ponta da ferramenta por ação capilar. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . por meio de técnicas de interrupção repentina do corte seguida de análises metalográficas da raiz do cavaco. alterando o gradiente térmico na ferramenta e reduzindo o volume da mesma afetado pelo superaquecimento. De Chiffre (1977) apresentou modelos que fornecem descrições analíticas para diferentes relações envolvidas na utilização de fluidos de corte nos processos de usinagem. um cavaco mais fino é obtido. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 177 . 1984 e 1988). Aplicações e Tendências Trent (1967. sem nenhuma perda nas características da peça.Fluidos de Corte: Fundamentos. em aço NB 8640. no processo de torneamento com ferramentas de metal duro triplo revestidas. semi-sintéticos. com fresas de metal duro revestidas com TiCN. seja reduzindo a taxa de desgaste. Concluíram Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 178 . enquanto que a alta pressão a menor. mas também de fatores tais como temperatura e tensão normal. Trent (1991) apresenta algumas situações onde o fluido pode aumentar a taxa de desgaste. utilizando fluidos emulsionáveis. Dewes et alli (1998). para este processo. abrasivo e difusivo estão operando simultaneamente sobre a ferramenta e a intensidade de cada um não depende exclusivamente das propriedades dos materiais da peça e da ferramenta. em vc = 350 m/min. prevenindo os mecanismos de desgaste por adesão ou "attrition". quando acessa a regiões desgastadas e promove uma aceleração do mecanismo de desgaste corrosivo. mostrou que a utilização de fluidos melhorou em todos os casos a vida da ferramenta. que são dependentes das condições de corte (Kurimoto e Barrow. com uma mistura pulverizada. sintéticos e integrais e ferramentas de metal duro. Com isto.5 mm. concluíram que a vida da fresa é governada predominantemente pela flutuação térmica e não pela máxima temperatura de operação. Por outro lado. Vieira (1997). também usinando o aço NB 8640. o que concorda com os resultados apresentados por Vieira (1997). nas condições utilizadas. que se sobrepõe aos demais mecanismos. questionando a eficiência dos fluidos de corte. quando o fluido age como refrigerante. Já no processo de fresamento. Motta (1994). Maekawa et alli (1998) fizeram um estudo.25 mm e ap = 0. Os fluidos de corte podem agir em tais fatores e influenciar estes mecanismos. usinando nas seguintes condições: a seco. Aplicações e Tendências Vários mecanismos de desgaste tais como adesivo. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . com fluidos emulsionáveis. Recentemente. encontrou que a utilização de fluidos piora a vida da ferramenta e. 1981). semi-sintéticos. no processo de torneamento. daqueles termicamente ativados. o fluido não é recomendado. ou agindo como lubrificante. Eles concluíram que os fluidos à base de água podem ser substituídos pela condição a seco. encontraram que a condição a seco apresentou maior vida. f = 0. também no fresamento do aço para matrizes AISI H13. sintéticos e integrais. com o método convencional de baixa pressão e à alta pressão. inodor. 1993).) ele irá preferencialmente atuar na periferia da zona de aderência. nem provocar irritações na pele. pois ele atuando como meio transportador pode evitar a obstrução do cavaco na zona de corte e. boa umectação. devem ainda possuir outras propriedades que produzirão. como segue: Anti-espumantes. Aplicações e Tendências também que a usinagem sem fluido reduz levemente a vida das ferramentas. óleo. mesmo sob baixos níveis de tensão. capacidade de absorção de calor. 1997 "a" e "b". a elevada temperatura gerada na interface pode promover a formação de gases oriundos do fluido e gerando uma barreira e comprometendo ainda mais o seu acesso. Recentemente Da Silva et alli (1998) mostraram evidências que na ausência de fluidos. Estas propriedades podem ser enumeradas. evitando o contato cavaco-ferramenta nesta zona. a quebra da ferramenta. em níveis operacionais. Os fluidos de corte. Exatamente neste ponto entra todas as justificativas e defesas da utilização de vazões de fluidos cada vez mais reduzidas e direcionadas exatamente onde o fluido pode acessar. Em processos como a furação e o serramento. usinando no vácuo. água. baixa variação da viscosidade quando em trabalho (índice de viscosidade compatível com a sua aplicação). 1998 e Da Silva. antidesgaste e antisolda (EP). há o contato perfeito na interface. consequentemente. Ele mostrou também. não formar névoa. Quanto à capacidade do fluido de corte em limpar os cavacos da zona de corte. transparência. Isto resulta na redução da oscilação do comprimento de contato cavaco-ferramenta e das forças de usinagem. depende da viscosidade e vazão do mesmo. que o ar atmosférico apresenta igual ou superior performance na redução destas oscilações que o fluido de corte. Já em altas velocidades de corte. anticorrosivas e antioxidantes. Da Silva e Wallbank. a ação mecânica do fluido é de suma importância. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 179 . além de refrigerar e de lubrificar. 1991). Fundamentos da Usinagem dos Materiais . denominada de zona de escorregamento (Trent. etc. que é na zona de escorregamento (Machado e Wallbank. e o aumento do custo de produção é relativamente pequeno. melhores resultados.Fluidos de Corte: Fundamentos. além é claro da operação de usinagem e do tipo de cavaco sendo formado (Machado e Da Silva. 1998). compatibilidade com o meio ambiente. Na presença do fluido de corte (ar. São responsáveis pela formação de emulsões de óleo na água e vice-versa.Substâncias ou misturas químicas que inibem o desenvolvimento de microorganismos. • Biocidas . Fundamentos da Usinagem dos Materiais . óleos sulfurados ou sulfonados. Estes aditivos reduzem a tensão interfacial do óleo de tal maneira que bolhas menores passam a se agrupar formando bolhas maiores e instáveis. São compostos organometálicos contendo magnésio. Reduzem a tensão superficial e formam uma película monomolecular semi-estável na interface óleo-água. bário. • Detergentes . lamas e borras. pois são suspeitos de serem cancerígenos.Reduzem a deposição de lodo. Deve-se usar baixos teores de nitrito de sódio. Os tipos principais são os sabões de ácidos graxos. São produtos à base de nitrito de sódio ou que com ele reagem. Aplicações e Tendências Para conferir aos fluidos de corte estas propriedades ou para reforçá-las. sulfonatos de petróleo e emulgadores não-iônicos. as gorduras sulfatadas. são utilizados: • Antiespumantes . ferramenta e máquina-ferramenta da corrosão. No controle das espumas geralmente usa-se cêras especiais ou óleos de silicone. • Aditivos Extrema Pressão (EP) Em operações mais severas onde uma lubricidade adicional é necessária. É recomendável usar o nitrito de sódio com precaução. e cálcio entre outros. Eles conferem aos fluidos de corte uma lubricidade melhorada para suportarem as elevadas temperaturas e pressões do Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 180 . pode-se utilizar de aditivos extrema pressão. • Anticorrosivos .Evitam a formação de espumas que podem impedir uma boa visão da região de corte e comprometer o efeito de refrigeração do fluido. • Emulgadores . alguns produtos químicos.Protegem peça.Fluidos de Corte: Fundamentos. chamados de aditivos. Podem ser relacionados em ordem crescente de eficiência como: matérias graxas e derivados. sem a adição destes elementos. 1977): a) Lubrificantes Sólidos . e influenciam nas características finais dos metais. telúrio ou selênio. chumbo. sulfurados e os sulfuclorados. formando compostos relativamente fracos na interface. São compostos que variam na estrutura e composição. podendo ser usinados a velocidades de corte maiores e proporcionando maiores vida das ferramentas de corte (Pizzi et alli. etc. como no caso dos aços. Os mais empregados são aditivos sulfurizados. sulfurizados inativos. As minúsculas partículas. reduzindo o contato metal-metal. bismuto. que apresentam tensões limites de cisalhamento baixas. por apresentarem melhor usinabilidade que o mesmo. manganês. Nos processos de fabricação destes materiais.Fluidos de Corte: Fundamentos.são elementos adicionados ao material da peça durante a sua fabricação. geralmente sais (fosfeto de ferro. de dissulfeto de molibdênio (MoS2) ou grafite. Lubrificantes Sólidos Os sólidos podem ser utilizados com objetivos de lubrificação de duas maneiras distintas (Ferraresi. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . São suficientemente reativos com a superfície usinada. b) Aditivos Metalúrgicos . Normalmente são adicionados enxofre. sulfurizados ativos. cloreto de ferro. Geralmente é utilizado como veículo uma graxa ou um óleo viscoso. São então produzidos os materiais chamados de livre corte. sulfurados e fosforosos. Aplicações e Tendências corte. se aderem às asperidades da superfície. a desoxidação feita com o cálcio tem apresentado melhores resultados que quando feita com o silício. Estes elementos combinados normalmente formam compostos de menores resistências ao cisalhamento que a própria matriz. clorados. reduzindo o atrito entre as superfícies metálicas. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 181 . 1997).pó aplicado diretamente na superfície de saída da ferramenta.) que se fundem a altas temperaturas e são facilmente cisalháveis. sulfeto de ferro. antes da operação de usinagem. fósforo e zinco. principalmente na primária.Benefícios Proporcionados pelos Fluidos de Corte Modernamente tem-se obtido grandes avanços quanto à qualidade dos fluidos de corte. 1991). Pequenas partículas da aresta postiça de corte é outro fator que deteriora imensamente o acabamento superficial da peça usinada. abaixando a temperatura média nas zonas de cisalhamento. B . da qualidade da lubrificação usada. F . tendendo a eliminar a APC. o fluido atua mais como refrigerante. Fundamentos da Usinagem dos Materiais .Evitar o aquecimento excessivo da peça. devido ao aumento da temperatura fica reduzido. e estes avanços tem sido conseguido devido à alta competitividade dos fornecedores e a pressão exercida por agências de proteção ambiental e de saúde. Com isto o efeito de amolecimento do material.3 .Proteger a máquina-ferramenta e peça da corrosão atmosférica.Refrigerar a máquina-ferramenta. já que praticamente não tem acesso à secundária.O acabamento superficial dos componentes usinados está relacionado com a força de usinagem que depende dentre outros fatores. • Refrigerar a altas velocidades de corte. D . Como funções secundárias. o que faz com que as Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 182 . Aplicações e Tendências 11. O uso de fluidos lubrificantes torna-se benéfico a baixas velocidades de corte. C . Em elevadas velocidades de corte. resultando em melhoria do acabamento superficial (Trent. A .Fluidos de Corte: Fundamentos.Ajudar a retirar o cavaco da zona de corte. As principais funções do fluido de corte são: • Lubrificar a baixas velocidades de corte. E . tem-se: A .Contribuir na quebra do cavaco.Melhoria no acabamento superficial da peça usinada. Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências forças de corte se elevem, e que poderá promover piora na rugosidade da superfície da peça. B - O cavaco formado deve ser retirado da região de corte, pois o mesmo pode eventualmente riscar ou comprometer o acabamento superficial do material usinado ou promover avarias nas pastilhas de corte. Em processos como furação e brochamento, por exemplo, o fluido tem grande importância na condução e na retirada do cavaco da região de corte. C - São adicionados aditivos anti-oxidantes e anti-corrosivos aos fluidos com objetivos de proteger as partes metálicas da máquina-ferramenta e a superfície da peça, contra oxidações e corrosões. Estes aditivos permanecem atuantes mesmo cessadas as operações de corte. D - O calor é naturalmente gerado em decorrência do processo de corte dos materiais. O aumento da temperatura na peça promove a sua dilatação. Em materiais com grandes coeficientes de expansão térmica, os problemas de controle dimensional são maiores. Em operações onde a alimentação e a retirada da peça é feita de forma manual, deve haver a precaução quanto a queimaduras na pessoa responsável pela execução desta etapa. O uso do refrigerante controla a elevação excessiva da temperatura reduzindo os efeitos de superaquecimento da peça fabricada. E - Utilizando-se de quebra-cavacos hidráulicos, injetando fluido sob alta pressão, Machado (1990) mostrou uma melhora na quebra do cavaco, usinando ligas de titânio e de níquel. O fluido de corte atua na interface diminuindo a área de contato cavaco-ferramenta, provocando uma maior curvatura (Childs, 1972). Com isto há diminuição do raio de curvatura natural do cavaco, rc, promovendo uma elevação do nível de tensões, podendo levar o material até a valores de deformações críticas de ruptura, facilitando a quebra, e atuando como um parâmetro ativador do controle do cavaco (Sales, 1995 e Sales et alli, 1997). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 183 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências Paulino et alli (1997), quando usinando aço NB 5140, utilizando-se de ferramentas de metal duro, triplo revestidas, com superfície de saída lisa, verificaram uma melhora na quebra do cavaco, quando adicionando fluido de corte emulsionável, concentração de 3%. Trent (1991) afirma que em baixas velocidades de corte não é necessário que o fluido de corte apresente propriedades refrigerantes mas sim lubrificantes. Com a predominância da lubrificação há redução do atrito, reduzindo a região de aderência, e consequentemente prevalecendo a de escorregamento. Com isto evita-se a formação da aresta postiça de corte (APC), que é prejudicial ao acabamento da superfície da peça. A Figura 11.1 mostra esquematicamente a influência do fluido atuando como lubrificante, na formação da APC. (a) (b) (a) - APC, usinando a seco; (b) - APC, usinando com óleo lubrificante emulsionável. Figura 11.1 - Interface cavaco-ferramenta, na presença de APC É sabido que a eficiência do fluido em reduzir a temperatura da ferramenta diminui com aumento da velocidade de corte e da profundidade de corte (Williams, 1977). Smart e Trent (1974), por meio do método metalográfico aplicado a ferramentas de aço rápido, usinando níquel e aço com fluido emulsionável 3%, obtiveram as isotermas e como resultados encontraram que a atuação do fluido como refrigerante reduz levemente a máxima temperatura na interface, mas faz que haja um grande aumento no gradiente de temperatura entre as regiões interna da ferramenta e imediatamente vizinha do lado de fora, que sofreu resfriamento. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 184 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências 11.4 - Classificação dos Fluidos de Corte Existem diversas formas de se classificar os fluidos de corte e não há uma pradronização que estabeleça uma única classificação entre as empresas fabricantes. Uma primeira classificação agrupa os fluidos da seguinte forma: - Ar; - Aquosos: a) - água; b) - soluções químicas; c) - emulsões. - Óleos: a) - óleos minerais; b) - óleos graxos; c) - óleos compostos; d) - óleos de extrema pressão; e) - óleos de usos múltiplos Uma segunda classificação traz os fluidos divididos em dois grupos: I - Fluidos formados apenas por óleo integral Ii - Fluidos formados a partir da adição de óleo concentrado à água. Ii.1. Emulsões Ii.2. Soluções Os dois grupos podem ser melhor explicados como segue: Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 185 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências Óleos Integrais Óleos vegetais e animais foram os primeiros lubrificantes empregados como óleos integrais na usinagem dos metais. A utilização destes como fluidos de corte tornou- se inviável, devido ao alto custo e rápida deterioração. Porém, são empregados como aditivos nos fluidos minerais, objetivando melhorar as propriedades lubrificantes destes. Óleos integrais são, basicamente, óleos minerais puros ou com aditivos, normalmente de alta pressão. O emprego destes óleos nos últimos anos como fluido de corte tem perdido espaço para os óleos solúveis em água, devido ao alto custo em relação aos demais, aos riscos de fogo, ineficiência a altas velocidades de corte, baixo poder refrigerante e formação de fumos, além de oferecerem riscos à saúde do operador. Os aditivos podem ser a base de cloro ou enxofre ou mistura destes dois, dando características de extrema pressão (EP) ao fluido. Fósforos e matérias graxas são também utilizadas e atuam como elementos antidesgaste. Os óleos minerais são hidrocarbonetos obtidos a partir do refinamento do petróleo cru. Suas propriedades dependem do comprimento da cadeia, estrutura e grau de refinamento. Óleos minerais básicos empregados na fabricação de fluidos de corte podem ser (Shell, 1991): Base parafínica: Derivam do refinamento do petróleo cru parafínico de alto teor de parafinas (ceras), que resultam em excelentes fluidos lubrificantes. Estes óleos são encontrados em maior abundância e, portanto, apresentam um custo menor, possuem alto índice de viscosidade (IV), maior resistência à oxidação, são menos prejudiciais à pele e ainda menos agressivos à borracha e plástico. Base naftênica: Derivam do refinamento do petróleo cru naftênico. O uso destes óleos como básicos para fluido de corte, tem diminuído em função de problemas causados à saúde humana. Os fluidos lubrificantes são de baixa qualidade e são escassos. Óleos minerais de base aromática: Não são empregados na fabricação de fluidos de corte. São excessivamente oxidantes, porém podem melhorar a resistência ao Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 186 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências desgaste e apresentar boas propriedades EP, quando presentes em grandes quantidades, em óleos parafínicos. Emulsões São compostos de duas fases, uma fase contínua consistindo de pequenas partículas de óleo mineral (derivado do petróleo) ou sintéticos suspensos na água (segunda fase). As emulsões de óleo de petróleo geralmente têm capacidades lubrificantes maiores, porém, capacidade refrigerante inferior. Em geral, as emulsões apresentam propriedades lubrificantes e refrigerantes moderadas. Fluidos Emulsionáveis Convencionais São compostos de óleos minerais adicionados à água nas proporções de 1:10 a 1:100, mais agentes emulgadores que garantem a miscibilidade destes com a água. Esses emulgadores são tensoativos polares que reduzem a tensão superficial formando uma película monomolecular relativamente estável na interface óleo-água. Assim os emulgadores promovem a formação de glóbulos de óleo menores, o que resulta em emulsões translúcidas. A estabilidade destas emulsões se deve ao desenvolvimento de uma camada elétrica na interface óleo-água. Forças repulsivas entre glóbulos de mesma carga evitam a coalescência destes. Para evitar os efeitos nocivos da água presente na emulsão empregam-se aditivos anticorrosivos tais como nitrito de sódio, que ainda é utilizado na fabricação de óleos de corte emulsionáveis. São usados ainda biocidas, que inibem o crescimento de bactérias e fungos, porém devem ser compatíveis com a pele humana e não serem tóxicos. Os elementos EP e antidesgaste usados que aumentam as propriedades de lubrificação, são os mesmos empregados para óleos puros. No entanto, o uso de cloro como aditivo para fluidos de corte vem encontrando restrições em todo o mundo, devido aos danos que este causa ao meio ambiente e à saúde humana. Por esta razão procura-se substituir o cloro por aditivos à base de enxofre e cálcio. Usa-se ainda gordura e óleos (animal e vegetal) para melhorar as propriedades de lubrificação. Fluidos Semi-Sintéticos (Microemulsões) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 187 resultando em boa visibilidade do processo de corte. Consistem de sais orgânicos e inorgânicos. agentes umectantes. Estas soluções são os óleos minerais. os fluidos lubrificantes sintéticos e soluções químicas a base de água (chamadas de sintéticos na indústria). Pertencendo à classe das soluções. Fluidos Sintéticos Esses óleos caracterizam-se por não conterem óleo mineral em sua composição. As soluções são estáveis mesmo em água dura. A presença de uma grande quantidade de emulsificadores propicia ao fluido uma coloração menos leitosa e mais transparente. Os óleos sintéticos mais comuns oferecem boa proteção anticorrosiva e refrigeração. que se caracterizam por serem livres de óleo mineral em suas composições. encontram-se os fluidos sintéticos. Os mais complexos são de uso geral. Aplicações e Tendências Os fluidos semi-sintéticos são também formadores de emulsões. Possuem agentes umectantes que melhoram bastante as propriedades refrigerantes da solução. Formam soluções transparentes.Fluidos de Corte: Fundamentos. Soluções Consistem de um fluido base (óleo de petróleo. Adicionam-se também corantes que proporcionam uma cor mais viva e aceitável pelo operador da máquina. adicionados à água. anticorrosivos. que pode ser formulado com vários aditivos que são solúveis neste fluido base. biocidas e inibidores de corrosão entre outros. Aditivos EP. A menor quantidade de óleo mineral e a presença de biocidas aumentam a vida do fluido de corte e reduzem os riscos à saúde. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Apresentam uma vida maior uma vez que são menos atacáveis por bactérias e reduzem o número de trocas da máquina. Baseiam-se em substâncias químicas que formam uma solução com a água. fluido sintético ou água). são utilizados como nos fluidos anteriores. Faz-se uma distinção quando os fluidos sintéticos contêm apenas Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 188 . com boas propriedades lubrificantes e refrigerantes. Eles se caracterizam por apresentarem de 5% a 50% de óleo mineral no fluido concentrado e aditivos e compostos químicos que verdadeiramente dissolvem-se na água formando moléculas individuais. solvente de petróleo. aditivos de lubricidade. A Plano de cisalhamento primário cavaco peça B ferramenta C Figura 11. Este método dispensa dispositivos especiais. mas atualmente os métodos mais utilizados são: Jorro do Fluido a Baixa Pressão. e as propriedades de EP não são necessárias.Método de Aplicação dos Fluidos de Corte O fluido de corte pode ser aplicado sob diversas direções e/ou vazões. Neste caso o fluido vai de encontro à superfície fraturada do cavaco. 11. são inúmeras as combinações possíveis para a sua aplicação.2 .2 ilustra este sistema. 1990). onde as setas A. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Aplicações e Tendências inibidores de corrosão. apresentam boas propriedades refrigerantes. sendo arrastado para fora da interface cavaco-ferramenta. ou ainda na superfície de saída da ferramenta. ou por Gravidade Este sistema é o mais usado devido à sua simplicidade.Fluidos de Corte: Fundamentos. posicionado na interface cavaco-ferramenta ou na peça.5 . Enfim. São chamados de refrigerantes químicos ou soluções verdadeiras. A Figura 11. Vazão Extremamente Baixa de Fluido (MQF – Mínima Quantidade de Fluido) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 189 . B e C mostram a direção de aplicação do fluido.Direções de aplicação do fluido (Machado. O fluido é jorrado sobre- cabeça contra a superfície do cavaco. O jato pulverizado é direcionado sobre a superfície de saída da ferramenta. Machado e Wallbank (1997 “a” e “b”) fizeram estudos e cálculos teóricos da vazão necessária de fluido e chegaram a 0. Um venturi foi utilizado para fazer a mistura do fluido com o ar comprimido (~ 34 Psi. no torneamento. para um futuro recente. Aplicações e Tendências Recentemente. entre 200 e 300 ml/h. enquanto em um sistema convencional a vazão está em torno de 5. efeitos sobre o meio ambiente e à saúde do operador são relevantes quando da seleção do lubrificante e do sistema de aplicação. Eles acreditam que. das forças de usinagem e pela temperatura da peça. Da Silva et alli (1998) e Da Silva e Wallbank (1998) continuaram nesta linha de pesquisa.2. A Figura 11. a vazão de fluido utilizada tenderá cada vez mais a ser reduzida. fatores como custo. mistura ar + fluido ar fluido de corte Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 190 . fazendo testes com vazão de 108 ml/h e monitorando o efeito da lubrificação por meio do acabamento da superfície. entre o cavaco e a superfície de saída da ferramenta. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . usinando aço (080M40). Os resultados experimentais encontrados foram bastante encorajadores.3 mostra esquematicamente o sistema de mistura do fluido com o ar comprimido. utilizaram baixas vazões de fluidos.4 kgf/cm2).2 l/min.1 ml/h. Em seus trabalhos experimentais. Este dispositivo foi instalado na posição "B" da Figura 11. 2.Fluidos de Corte: Fundamentos. A área de contato cavaco-ferramenta é muito pequena e sugere-se que a vazão de fluido necessária para promover a ação lubrificante seja pequena. dentro do contexto moderno dos processos de usinagem. 4 – Desempenho das brocas de aço-rápido no corte a seco com aplicação de mínima quantidade de fluido (Santos. utilizando este método no torneamento e aplicando o jato nas direções A e B. a ferramenta é pulverizada com um jato. Neste caso elimina-se a aresta postiça de corte. No processo de furação das ligas de Al-Si.3 . a seco e em mínima quantidade de fluido de corte (MQF) e encontrou bons resultados.fluido (Machado e Wallbank. Sistema a Alta Pressão Neste método o objetivo principal é melhorar a quebra do cavaco. ar e óleo são misturados e. como de titânio e de níquel. devido a ação lubrificante do fluido e o cavaco permanece praticamente seco (Cselle. Machado (1990). obteve bons resultados usinando ligas aero-espaciais.1 kgf/cm2 à vazão de 15. conforme direção B da Figura 11.2). Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Aplicações e Tendências Figura 11. Um jato de fluido.1 l/min).Venturi utilizado para fazer a mistura ar. direcionado à superfície de saída da broca. na direção sobre-cabeça (A da Figura 11. 1997). conforme apresentado na Figura 11.2. contra o cavaco na superfície de saída da ferramenta. Por meio de um venturi. é jogado em duas direções: na primeira. a alta pressão (48. 1997 "a" e "b"). Na outra.Fluidos de Corte: Fundamentos. 600 V IDA (NÚMERO DE FUROS) 500 400 SECO 300 MQF 200 100 0 SR TiN TiCN WC/C MC Figura 11. a chamada lubrificação pseudo-seca ou por micro-jato está sendo utilizada. sobre o cavaco.4. Santos (2002) realizou ensaios avaliando o desempenho de brocas de aço rápido. 2002). que possuem difícil controle do cavaco pelos métodos Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 191 . foi desenvolvido um sistema em que o conjunto suporte e ferramenta de corte é vazado.3 l/min). A camada de fluido na interface reduz em muito a fonte geradora de calor. Com o principal objetivo de incrementar a lubrificação na interface cavaco- ferramenta.03 kgf/cm2. chamado de “jet-cut”. para uma vazão de 2. chegando até a superfície de saída da ferramenta (Iscar. Aplicações e Tendências convencionais. Na Figura 11. na zona de cisalhamento secundária. o fluido chega à interface com alta pressão (variável entre 1.Fluidos de Corte: Fundamentos. que está na zona de aderência. O cavaco é resfriado depois de ser deformado no plano primário. 1991). O calor então é principalmente gerado nas zonas de cisalhamento primária. Com isto. inoxidável SAE 316 e do Inconel 718 (Iscar.83 kgf/cm2. no plano primário e entre a superfície de folga da ferramenta e a peça. esquematicamente. Este método também foi utilizado no processo de fresamento por Kovacevic et alli (1995). Neste sistema a ferramenta de corte mantém seu interior e a superfície de saída constantemente sob resfriamento. para uma vazão de 0.5 mostra-se. e 25.3 l/min. peça cavaco fluido de corte ferramenta porta ferramenta fluido rotação avanço Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 192 . a proposta deste método. aumentando as forças de usinagem. Este sistema foi aplicado com sucesso na usinagem dos aços SAE 4140. 1991). mantendo-se fria. reduzindo o contato cavaco-ferramenta. Isto tende a reduzir a temperatura nesta região e aumentar a resistência ao cisalhamento do material da peça. o que no caso do método de aplicação sobre-cabeça o resfriamento é simultâneo à deformação. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . permitindo o fluido passar pelo seu interior. bexiga. 1987. inclusive podendo provocar doenças respiratórias.5 .6 . laringe. Aplicações e Tendências Figura 11. Se não se fizer um tratamento apropriado. Os óleos de corte emulsionáveis normalmente são alcalinos. o contato freqüente e prolongado com óleos minerais. • Doenças de pele. apresentam pouco ou nenhum risco ao operador. 1974. já que esta última é bem menos comum e. 1998). e até de explosão. Törok et alli. lagos e rios. como bronquite e asma. o que pode provocar a transferência do operador para outro serviço. a pele poderá tornar-se dolorida e vermelha com erupções. pulmão.Princípio de operação do “jet-cut” (Iscar. Deve-se fazer freqüentemente um controle adequado da quantidade de fungos e de bactérias e do pH. • A procriação de fungos e bactérias. pode originar diversas formas de irritações de pele (dermatites) e em casos excepcionais até o câncer de pele entre outros (Samitz.Fluidos de Corte: Fundamentos. desde que corretamente usados. entre outros. aplicando cremes protetores apropriados antes do início do serviço e após o trabalho (Barker. 1991). 1991. 1974). Em geral. • A produção de vapores tóxicos. que se diferencia da alergia. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 193 . com fortes odores desagradáveis. Esta doença é chamada de dermatite. reaparecem com um novo contato com o alergênio. A dermatite pode ser eficientemente controlada. • Riscos de combustão. entre elas pequenas alergias e dermatites. e com o tempo de contato. de cólon. como dos córregos. pâncreas. 11. como: • Contaminação do meio ambiente. os fluidos de corte. quando os operadores são convencidos à prática de uma boa higiene pessoal. geralmente. sinunasal. ressecando-a e causando erupções. Runge e Duarte. reduzem a gordura da pele. Entretanto. Batzer e Sutherland. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . • Doenças pulmonares.Problemas Causados ao Meio Ambiente e à Saúde Humana Os fluidos de corte podem produzir alguns efeitos prejudiciais. • Câncer de vários tipos como. estes produtos devem ser facilmente degradados. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 194 . Nos sistemas de esgotos e de tratamento de água. é necessário que a formulação de fluidos de corte contenha componentes que facilitem e reduzam o custo do descarte. 1987). ao contrário. e fazer com que as emulsões durem o maior tempo possível. usados na formulação dos fluidos emulsionáveis.Fluidos de Corte e Suas Relações com o Meio Ambiente Fluidos Biodegradáveis e Bioestáveis O conceito de biodegradabilidade não pode ser aplicado aos fluidos de corte solúveis (emulsões e soluções) da mesma maneira como é aplicada aos produtos de consumo doméstico. entretanto. Fenóis e nitritos. encontram-se na água resultante da quebra das emulsões. Isto pode ser conseguido através da formulação de fluidos com materiais “duros” ao ataque por microorganismos para que biocidas não sejam necessários. É desejável a sua ausência ou a presença apenas em quantidades mínimas. ou sejam apenas em quantidades mínimas.Fluidos de Corte: Fundamentos. O tempo de exposição para o ataque por microorganismos é muito pequeno para resultar em qualquer efeito negativo a ser notado pelo usuário desses produtos. Numa máquina operatriz. Portanto. Para isso. a emulsão ou solução deve durar o maior tempo possível. para reduzir ao mínimo a quantidade de fluido a ser descartada (Runge e Duarte. É desejável que a água resultante do descarte da emulsão não contenha produtos agressivos à fauna e à flora aquáticas. no descarte.7 . Estes são descartados quase que imediatamente após o uso: o detergente usado para lavar louças somente precisa estar estável por poucos minutos. o fluido de corte solúvel deve ser bioestável e compatível com o ambiente. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . passam para a fase aquosa do fluido e. Aplicações e Tendências 11. um fluido de corte não pode ser biodegradável. Porém. Aplicações e Tendências Técnicas Usadas na Análise de Contaminação Industrial Verificação da Existência de Fungos Fungos são organismos pluricelulares pertencentes à divisão do reino vegetal conhecido como tallophyta.Fluidos de Corte: Fundamentos. Em laboratórios usam-se placas com agar saboroud pois. entre vários outros.Micélio. Cada fungo é constituído de (Runge e Duarte. a verificação da existência de fungos é feita normalmente usando-se o Teste com Lâminas de Imersão BCB (Roche) pela sua facilidade de manuseio. meio apropriado para o crescimento de fungos. Nos fluidos encontram-se usualmente todos os três tipos de bactérias existentes (Runge e Duarte. fornecem os resultados mais seguros por ter uma área de exposição maior e inibidores de crescimento de bactérias para favorecer o desenvolvimento dos fungos. Este teste normalmente é escolhido. Estas possuem três divisões com três meios de cultura diferentes. Bactérias estão sempre presentes em emulsões durante o seu uso. 1987): Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 195 . 1987): .Esporângio. . que é um organismo aeróbico de reprodução. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . por ser simples e poder ser executado pelos operadores. Portanto. Ele permite que se determine seletivamente a quantidade de fungos e bactérias com precisão suficiente. uma das quais é agar Saboroud. até o momento. que é o talo. os óleos de corte deverão ser estéreis quando secos. Na indústria. Verificação da Existência de Bactérias As bactérias necessitam de água para sua proliferação. mais importante que o total das bactérias presentes é o seu tipo. Fluidos de Corte: Fundamentos. Numa indústria existem constantes fontes de contaminação. • Anaeróbicas e. mas o usual é que as bactérias precisem de um tempo até atingir uma velocidade de crescimento constante. que existem numa faixa de temperatura entre 40 e 600C e são encontradas usualmente em emulsões para a laminação de metais. mas pode-se mantê-los em níveis toleráveis. As bactérias aeróbicas proliferam somente na presença do oxigênio. Quando se inocula um meio para o cultivo de bactérias. • raios ultravioleta (pouco efetivos. As bactérias anaeróbicas facultativas (incluindo os coliformes). prevalecem então as condições para o crescimento das bactérias anaeróbicas. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 196 . espécie de célula muito resistente que se mantém em estado de repouso enquanto as condições do meio são adversas e que formarão uma nova célula vegetativa assim que as condições se tornarem favoráveis. estão presentes no solo e nas sujeiras. As bactérias aeróbicas consomem o oxigênio das emulsões. Os tipos mais comuns são as pseudomonas. Algumas bactérias têm a capacidade de formar endosporo. devido à sua pouca penetração no líquido). O crescimento das bactérias na natureza e no laboratório está limitado pela diminuição dos nutrientes ou pelo acúmulo de substâncias tóxicas provenientes da própria nutrição das bactérias. • Anaeróbicas facultativas. através de meios de controle. como: • biocidas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . • campos magnéticos (pouco eficientes). tornando-se impossível eliminar totalmente os microorganismos dos fluido. estas podem se desenvolver rapidamente. Tem como principal característica sua elevada resistência térmica. Aplicações e Tendências • Aeróbicas. que são as principais responsáveis pelos maus odores. onde esta faixa é bastante comum. Se na superfície da emulsão estiver presente uma camada de óleo que impeça a sua oxigenação. que proliferam usualmente entre 10 e 400C e são freqüentemente encontradas em emulsões e as nocardias. O sulfato de ferro é a fonte de sulfato que será reduzido pelas bactérias em sulfeto que. Para a análise de bactérias redutoras de sulfato (desulphovibrio desulphuricans) que produzem o cheiro de H2S. O meio possui os nutrientes básicos para o crescimento microbiano (fonte de carbono. enxofre e outros).aquecimento até temperatura específica e resfriamento rápido. • Streptococus pyogenes (produz irritação na garganta). mas seu uso exige cuidados especiais). 1987 e Törok et alli. A colocação de uma camada de óleo por cima do meio da cultura no tubo favorece o desenvolvimento das bactérias. • microondas (bastante efetivas). O escurecimento do meio é uma indicação da presença de bactérias redutoras de sulfato. O sulfito de sódio age como antioxidante. retirando o oxigênio do meio e criando uma atmosfera anaeróbica. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Não devem ser jogados no sistema materiais orgânicos. Também devem ser evitados mistura com outros lubrificantes (óleo hidráulico. lubrificante de guias ou engrenagens e outros). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 197 . • Shigella (causa disenteria). • Salmonella (causa envenenamento alimentar). pois impede a entrada do oxigênio. tais como pontas de cigarro ou restos de comida. em presença de ferro. • ultra-som. nitrogênio.Fluidos de Corte: Fundamentos. forma precipitado preto de sulfeto de ferro. • calor (pasteurizaçao . 1991): • Staphylococus aureus (produz infecções na pele). • Pseudomas pyanocea (resulta em cortes inflamados na pele do operador). Normalmente estes óleos não são compatíveis com as emulsões ou são emulgados apenas de maneira difícil e lenta. usualmente muito dispendiosa). Ocasionalmente podem ser encontradas nas emulsões as seguintes bactérias patogênicas (Runge e Duarte. Aplicações e Tendências • raios gama (existem equipamentos eficientes. recomenda-se usar agar sulfito de ferro em tubos de ensaio. A primeira linha de defesa contra o ataque bacteriano é a educação dos operadores para que não tratem os reservatórios de fluidos como depósito de lixo. devido ao aumento do tamanho dos glóbulos de óleo. Aplicações e Tendências formando uma barreira à oxigenação e favorecendo a proliferação de bactérias anaeróbicas. • Maus odores. através da adição de materiais alcalinos. resulta na quebra da emulsão. Proliferação das Bactérias As bactérias proliferam preferivelmente num ambiente de pH entre 6 e 8. Como conseqüência do consumo de emulgadores da emulsão. entre outros. 1991).produção de ácidos (H2S). Em geral. . À medida que avança o consumo de emulgadores. sendo observado inicialmente por certos pontos de coloração diferente sobre a superfície (TÖrÖk et alli. O ataque bacteriano resulta nas seguintes conseqüências: • Redução do pH. A redução do pH. Fundamentos da Usinagem dos Materiais .oxidação do ferro. particularmente o nitrito de sódio (NaNO2).Fluidos de Corte: Fundamentos. reduzindo o pH. Recomenda-se manter o pH acima de 8. A insuflação de ar no fundo dos reservatórios mantém as emulsões agitadas e aeradas. devido a: . inicialmente forma-se uma emulsão mais “grossa”.consumo de películas protetoras deixadas sobre as peças. • Instabilidade da emulsão. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 198 . as bactérias produzem materiais ácidos em conseqüência do seu metabolismo. A presença de bactérias redutoras de sulfato reduz a vida da emulsão devido ao consumo do enxofre dos emulgadores. reduzindo o pH da emulsão. tem efeito negativo sobre a estabilidade da emulsão. . produzindo ferrugem. por ação indireta. .consumo dos inibidores de corrosão. A corrosão pode ser provocada pelo crescimento de colônias de bactérias aeróbicas ou anaeróbicas. • Corrosão nas peças e nos componentes metálicos da máquina operatriz. a reação química é reforçada Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 199 . das condições locais. se desprenderem do volume e ficarem suspensas no ar. de 5. A seleção dos processos depende do estado de contaminação das emulsões. Nos processos químicos. os novos instrumentos farão o monitoramento de partículas com diâmetros menores que 2.5 µm. como as americanas “Ocupational Health and Safety Administration” e “United Auto Workers” estão reduzindo cada vez mais os limites toleráveis. Foram desenvolvidos instrumentos de medição. da legislação do meio ambiente na região e do custo de cada processo. apresentam grande potencial de provocarem doenças respiratórias nas pessoas que convivem diretamente sob esta atmosfera (Batzer e Sutherland.5 mg de partículas suspensas por m3 de ar ambiente. • separação do óleo. A combinação dos dois também pode ser utilizada. Processos de Descarte dos Fluidos de Corte Descarte de Emulsões Podem ser divididos em processos químicos e físicos. da sua composição. Organizações internacionais de controle ambiental e de saúde ocupacional. Mas para o futuro bem próximo. praticamente pulverizado na região de corte. e • tratamento da água separada. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Partículas menores que 10 µm têm grande probabilidade de serem depositadas nas vias aéreas da traquéia e nas regiões pulmonares. Isto é aumentado principalmente em máquinas que jogam o fluido. de diâmetros muito pequenos (da ordem de 2.0 para 0. Com isto. 1998). adicionam-se ácidos para quebrar as emulsões pela degradação dos emulgadores. De qualquer maneira os três estágios seguintes são comuns: • quebra da emulsão.Fluidos de Corte: Fundamentos. Aplicações e Tendências Partículas de Fluido de Corte Suspensas no Ar Um outro fator importante nos fluidos de corte está no fato de partículas líquidas e de gases. com o objetivo de verificar a distribuição de partículas menores ou iguais a 10 µm. Nos físico-químicos.5 µm). Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Descarte de Soluções O tratamento de fluidos de corte sintéticos através de sistemas convencionais de descarte. Os óleos não se diluem nos fluidos sintéticos. é forçada a passar através de permeadores. estão cada vez mais conquistando os consumidores. somente a água prossegue o fluxo. Torneamento e fresamento de ferro fundido cinzento. principalmente os sintéticos. O óleo separado nos processos de quebra térmica contém quantidades de resíduos que permitem a sua utilização em processos de re-refino. envolve a compreensão da química coloidal e tensoativa de cada fluido a ser descartado. O óleo permanece presente. como a ultrafiltração.7 . devido à grande variedade de produtos disponíveis no mercado. no caso das emulsões. a fase aquosa é retirada da emulsão. a taxa desejada das reações de precipitação pode ser controlada e a água efluente posteriormente com o seu pH controlado para posterior descarte (Runge e Duarte. existem muitas operações onde o emprego do fluido de corte é vital.Seleção do Fluido de Corte A seleção de um fluido de corte ideal é difícil. a emulsão com diferentes tamanhos moleculares do óleo e da água. No processo físico. Um outro processo físico é a quebra térmica.Fluidos de Corte: Fundamentos. Portanto. O custo é alto e a utilização de um fluido de corte tem que compensar economicamente. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 200 . Aplicações e Tendências pelo aquecimento da emulsão. a cada passagem da emulsão. Existem várias operações em que o corte é realizado a seco (no ar). a etapa de separação do óleo. com poros de diferentes diâmetros. Em contrapartida. por apresentar ponto de ebulição mais elevado. os óleos emulsionáveis estão bem à frente dos demais. Porém. 11. 1987). Deste modo. Em termos de consumo industrial. Os demais resíduos ficam retidos e a água pode ser então descartada. Através da escolha do tipo e da dosagem de coagulante polimérico e tomando-se por base as faixas de pH encontrados. isto é. onde economicamente não se justifica o emprego do fluido de corte. os benefícios devem superar os custos do produto. os novos produtos. aqui é dispensada. alumínio e magnésio são exemplos de operação a seco. Por meio de evaporação. Na usinagem do ferro fundido maleável. todos os tipos de fluidos podem ser usados. rosa e marrom. O efeito químico sobre as emulsões reside na formação de sabões de ferro.Este grupo concentra o maior volume de material usado industrialmente e existe uma variedade muito grande de composições disponíveis. apesar da maioria dos fabricantes fornecerem tabelas e diagramas que ajudam o consumidor a selecionar o produto. para vários fornecedores. quimicamente bastante reativos ao ponto de exercerem um efeito físico sobre as emulsões no sentido de empobrecê-las (reduzindo a concentração e. Entretanto.Os ferros fundidos cinzentos produzem cavacos de ruptura e são normalmente usinados a seco. Material da Peça A) Materiais Ferrosos Ferro Fundido . descrição do produto. É comum encontrar na literatura tabelas completas. Porém. A usinagem do ferro fundido branco é difícil e geralmente requer aditivos EP nas emulsões. 1990). um óleo emulsionável pode ser útil para remover o cavaco. com a indicação do nome do produto. Assim. Pelo menos três informações relevantes devem ser consideradas. produzindo corrosão).Fluidos de Corte: Fundamentos. antes de se decidir por um determinado fluido de corte: os materiais da peça e da ferramenta e o processo de usinagem. material a usinar. A escolha depende da severidade da operação e Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 201 . concentração recomendada. se for usado fluido de corte. em conseqüência. Os cavacos são muito pequenos e abrasivos. Aços . este deve ser óleo puro. Estas tabelas são úteis e devem ser usadas como ponto de partida (Machining Data Handbook. com telefone e endereço das companhias. os cavacos decantam-se com dificuldade. Aplicações e Tendências Os ensaios de laboratório devem ser usados como critério de seleção correta do fluido de corte e de aditivos. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . entre outros. resultando em emulsões instáveis e de coloração que pode variar entre o vermelho. requerendo sistemas de purificação mais complexos ou algum tipo especial de emulsão. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 202 .Podem ser divididos em três grandes grupos: Ligas de fácil usinagem . o que acarreta um alto consumo de potência e dificulta a obtenção de bom acabamento superficial. o enxofre ataca o metal. como no caso do alumínio. alguns bronzes ao fósforo e bronzes ao silício. Uma emulsão de óleo solúvel é suficiente para praticamente todas as situações.Podem muitas vezes ser usinados a seco. Eles possuem alta resistência à tração. Porém.Fluidos de Corte: Fundamentos. as ligas de alumínio conformadas com alto teor de carbono. selênio e telúrio). apresentando assim risco de ignição.São normalmente usinados a seco. Cobre e suas Ligas . emulsão de óleo solúvel ou mistura leve de óleo mineral com gordura satisfaz as exigências.Incluem a maioria dos latões e alguns bronzes ao fósforo fundidos. deve- se usar um bom refrigerante. Se a precisão dimensional for importante. Eles tem alta ductilidade. Aplicações e Tendências da resistência do aço. um refrigerante pode ser utilizado. baixa ductilidade e geralmente adição de elementos de liga de corte fácil (chumbo. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Ligas de usinabilidade moderada . A altíssimas velocidades de corte. Aço inoxidável austenítico e aços resistentes ao calor tendem a encruar de maneira idêntica às ligas de níquel e a escolha do fluido tende a ser similar. Emulsões são proibidas porque a água pode reagir com o cavaco e liberar hidrogênio. Magnésio e suas Ligas . entretanto. Alumínio não exige aditivos EP e o enxofre livre ataca o metal instantaneamente. Uma escolha correta seria emulsão com uma mistura de óleo mineral e gordura e a maioria das emulsões solúveis. Quando cavacos longos são formados. Geralmente. usa-se óleo mineral ou mistura de óleo mineral com gorduras e. Isto significa que eles são usinados mais facilmente que as ligas de outros grupos. a área de contato é grande e requer lubrificação adequada. devido ao alto valor do coeficiente de expansão térmica. B) Materiais não-Ferrosos Alumínio e suas Ligas .São os latões sem chumbo. Geralmente. requerem um fluido de corte com alta capacidade refrigerante. As ligas de alumínio e silício também requerem boa lubrificação. metais duros e cermets (WC/TiC) possuem dureza mais elevada que as ferramentas de aço e. Esta taxa de remoção de material. é essencial que se use uma refrigeração adequada. As ligas fundidas. principalmente as ligas de níquel. entretanto. aditivos são freqüentemente usados. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Os aços-rápidos também requerem uma refrigeração suficiente. mas a escolha correta deve variar de acordo com a severidade da operação. deve-se tomar cuidado ao se aplicar um refrigerante.São ligas resistentes ao calor chamadas de super-ligas. indicará as temperaturas de corte e as tensões na ferramenta que provavelmente serão encontradas. pode causar deterioração da peça. Ligas de Níquel. ou seja. Todos os metais amarelos são manchados por qualquer óleo contendo enxofre livre. por sua vez. Como as ferramentas de aço-carbono e aço-liga só podem ser usadas a baixas velocidades. não suportam altas temperaturas. Material da Ferramenta A escolha de um material para ferramenta para uma dada aplicação indicará o potencial de taxa de remoção de material. A escolha do fluido de corte dependerá da operação de corte. aditivos anti-aderentes devem ser usados. Devido à alta fragilidade destes materiais. Na usinagem de materiais tenazes. O uso das cerâmicas tem aumentado consideravelmente nos últimos tempos. Em condições severas. Eles tem baixa resistência e grande tendência ao arrancamento e geralmente produzem cavacos longos. Enxofre livre.Tais como ligas sem chumbo. São difíceis de usinar e apresentam grande tendência a encruarem. suportam trabalhar em temperaturas mais elevadas. as ligas de níquel-prata e os bronzes ao fósforo. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 203 . Os óleos emulsionáveis são usados com freqüência.Fluidos de Corte: Fundamentos. a aplicação de um fluido refrigerante torna-se necessário para aumento da vida da ferramenta. Titânio e Cobalto . Como a taxa de remoção de material é alta quando se utiliza estas ferramentas. portanto. Neste caso uma forte mistura de óleo mineral com gordura deve ser usada para preenchimento dos requisitos. Aplicações e Tendências Ligas de difícil usinagem . Outros Fatores Fatores que inicialmente são desconsiderados. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . Para reforçar sua aceitação. A escolha do fluido de corte. são resistentes o suficiente para suportarem os choques térmicos e não existem contra indicações quanto ao uso do fluido de corte. neste caso. quando corretamente mantidos. portanto. É comum encontrar literaturas que orientam a escolha do fluido. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 204 . Aplicações e Tendências pois os choques térmicos podem acarretar trincas superficiais. 1991). o fluido de corte deverá ser usado com certa reserva. permitindo acompanhamento visual do processo. irá variar desde os mais ativos tipos de óleo de corte até os óleos emulsionáveis de baixa concentração. podem influenciar bastante a seleção de um fluido e são enumerados a seguir: Aceitação pelo Operador da Máquina Os fluidos de corte solúveis. os fabricantes de fluidos freqüentemente incluem em sua formulação corantes e/ou odorizantes. 1977. por serem mais tenazes que as cerâmicas à base de Al2O3 (alumina) . ele será sempre recomendado para aumentar a vida da ferramenta. Se o fluido de corte vai reduzir a temperatura sem causar trincas. Fluidos levemente transparentes também facilitam a visualização do corte. principalmente em se considerando que o operador de uma máquina operatriz pode estar em contato direto com o fluido durante muitas horas por dia. pois a atmosfera pode alterar o mecanismo de desgaste. são mais agradáveis ao contato humano. 1987 e Shell. principalmente na usinagem das super- ligas. tais como o PCD (diamante policristalino) e CBN (nitreto cúbico de boro). de acordo com a operação de corte (Ferraresi. o desgaste de entalhe irá predominar e. Os materiais ultraduros. As cerâmicas à base de nitreto de silício são menos susceptíveis a este tipo de problema. Em algumas aplicações. Processo de Usinagem A severidade dos processos de usinagem varia desde os mais pesados cortes de brochamento até os mais leves de retífica. Runge e Duarte.Fluidos de Corte: Fundamentos. etc. A manutenção destes fluidos é essencial e deve ser levada a sério. Em pequenas e até em grandes oficinas e fábricas.Fluidos de Corte: Fundamentos. facilidade de descarte. Porém. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . para que a quantidade a ser descartada e a freqüência sejam as menores possíveis. pois poderão causar inclusive danos à saúde do operador.) e por maus hábitos dos operadores (cuspir na emulsão.). fatores relacionados à limpeza deixam em muito a desejar. que deve ser levado em consideração ao se selecionar o fluido de corte. rapidamente degradam-se pela ação bacteriana que age tanto sobre os componentes do próprio fluido como em seus contaminantes (cavacos. Fatores Econômicos Além dos fatores importantes citados acima. As legislações ambientais são a cada dia mais rigorosas e jogar emulsões usadas diretamente no esgoto ou num córrego no fundo da propriedade não é mais aceitável. Aplicações e Tendências Facilidade de Descarte A preocupação de assegurar a manutenção apropriada dos fluidos deve sempre ser considerada. além de outros fatores. Existem processos físicos. Deve-se fazer um estudo de custo/benefício que viabilize a escolha. Ela não deve ser feita com base no seu custo por litro. devem ser considerados. o número de afiações da ferramenta. Saúde Humana e a Contaminação do Fluido Óleos solúveis. sujeiras. sempre representa um custo. o custo do fluido é fundamental para uma tomada de decisão. Deve-se considerar neste estudo. vida da ferramenta entre as afiações. Isto conduz aos fluidos integrais. jogar pontas de cigarro. fatores como a capacidade de ser reciclado a menores custos. O descarte. Além deste. entre outros. quando não corretamente mantidos. todos os fluidos chegarão ao fim de sua vida útil e deverão ser descartados. etc. o que pode justificar sua seleção. durabilidade do fluido e custo de reciclagem. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 205 . seja ele feito pelo próprio usuário ou por outra empresa especializada. tempo ocioso do operador. tempo de máquina parada. que são mais resistentes. Os óleos emulsionáveis tem um bom preço no mercado e muitas vezes é um fator chave na escolha. químicos e combinados para o correto descarte. portanto. É difícil. contra uma superfície de um material mole. CCl4. A superfície é Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 206 . quatro esferas de aço e um volume apropriado de fluido em teste (ASTM D3233). Aplicações e Tendências Para algumas situações. 11. foi proposta por Shaw et alli (1960). Uma forma de realizar o ensaio é deixar o conjunto em teste até haver a fusão das esferas. principalmente quanto a lascamentos. Nestas células. como no caso das células flexíveis de manufatura. Testes que não Envolvem Usinagem Entre os que não envolvem usinagem está o teste a quatro esferas ("four balls") que consiste em um reservatório fechado. com carregamento conhecido. Na realidade o método foi desenvolvido especificamente para classificar o óleo lubrificante de máquinas. O objetivo era de verificar o comportamento do tetra-cloreto de carbono. Estes testes podem ser divididos em duas categorias: os que não envolvem usinagem (são realizados em laboratório) e os que envolvem usinagem. 1976). sem envolvimento de usinagem.8 .Fluidos de Corte: Fundamentos. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . O método consiste em aplicar uma esfera dura.Alguns Trabalhos Visando Avaliar o Desempenho dos Fluidos A literatura mostra vários testes visando avaliar o desempenho de fluidos de corte. o ensaio é interrompido e a superfície das esferas é avaliada. na usinagem. O ensaio apresenta outras variantes. como a aplicação da carga se efetuar de forma progressiva e controlada. Uma outra metodologia experimental. Este método objetiva avaliar o desempenho dos aditivos de extrema pressão. Uma das esferas é colocada em rotação sobre as demais sob ação de um carregamento conhecido. principalmente nos óleos integrais. satisfazer a todas as situações simultaneamente. O ensaio não mostra boa correlação com a performance do fluido na usinagem (Skells e Cohen. várias operações de usinagem podem ser feitas e uma variedade enorme de materiais podem ser usinados. Neste item serão mostrados alguns trabalhos disponíveis na literatura. a seleção do fluido de corte é realmente complicada. Caso não ocorra a fusão. O tempo necessário para isso ocorrer é controlado e o fluido de melhor desempenho é aquele que apresentar maior tempo. Shirakashi et alli (1978) também fizeram um estudo utilizando esta metodologia para simular o comportamento do CCl4 na usinagem de aços em baixas velocidades de corte. O teste se processa até que a superfície se deforme plasticamente. O corpo de prova é fixado na parte inferior do instrumento.6 e consiste de um pêndulo. em baixas velocidades de corte ele é um dos fluidos mais eficazes que se tem conhecimento. 1989). Sob certas condições o CCl4 atua como um mau lubrificante aumentando o coeficiente de atrito comparado com o ar. O metal duro passa riscando o corpo de prova e eleva até outra altura e a diferença delas é a energia consumida no risco. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 207 . com uma ferramenta de metal duro na extremidade. Aplicações e Tendências montada sobre uma base com movimento de rotação e possui um furo de diâmetro menor que o da esfera. denominada por energia específica. O toque necessário para promover a deformação é monitorado. do ponto de vista de redução de forças de usinagem e melhoria no acabamento da superfície. Fundamentos da Usinagem dos Materiais . A superfície fica imersa em cada fluido em avaliação.Diagrama do esclerômetro pendular. Escala de Energia [J] Penetrador Porta penetrador Porta amostra Figura 11.Fluidos de Corte: Fundamentos.6 . Entretanto. O instrumento desenvolvido por Franco (1989) é mostrado na Figura 11. mostrando os diversos componentes do instrumento (Franco. Sales (1999) utilizou a técnica de esclerometria pendular para avaliar a performance de diversos fluidos de corte. O corpo de provas é pesado antes e após o risco e com isso tem-se a perda de massa. liberado a uma altura e energia conhecida. A relação entre a perda de massa e a energia consumida. fornece um importante parâmetro para análises qualitativas dos fluidos. Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências Na Figura 11.7 mostram-se os resultados experimentais obtidos nos ensaios. 3,5 Seco 3,0 Integral 2,5 Energia Específica [J/mg] Emulsionável - 2,0 5% 1,5 Sintético 1 - 5% Sintético1 Água 1,0 Seco Sintético 2 - 5% 0,5 Integral Emulsionável Água Sintético2 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 Perda de Massa [mg] Figura 11.7 - Energia específica consumida em amostras aço ABNT NB 8640 submersas em fluidos de corte. Pontos experimentais (Sales, 1999). Testes que Envolvem Usinagem Existem na literatura vários testes de usinagem que normalmente são realizados a baixas velocidades de corte, com objetivo principal de caracterizar as qualidades lubrificantes do fluido. Ladov (1974) propôs uma metodologia de avaliação de fluidos de corte. Consiste em usinar uma superfície chanfrada ("tapping test") e fazer o monitoramento do torque de usinagem. Lorenz (1985) utilizou uma metodologia similar. Utilizou o processo de roscamento em superfícies previamente chanfradas. Ele apresentou toda uma metodologia experimental e estatística no tratamento dos dados objetivando normalizar o procedimento de classificação dos fluidos. Wakabayashi e Ogura (1989) propuseram um método, derivado do "tapping test", realizado no torneamento. A principal grandeza monitorada é o consumo de energia durante a usinagem da superfície no ensaio. Também é medido o máximo torque. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 208 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências Segundo eles, o "tapping test" é aceitável por apresentar uma boa correlação com os resultados práticos, apresentar um alta reprodutibilidade e sensibilidade, ser simples e rápido e finalmente, por utilizar corpos de prova também simples e em pequena quantidade. Eles mostraram o desempenho de fluidos com diferentes quantidades de aditivos EP por meio das curvas de energia consumida durante a usinagem do chanfro. De Chiffre et alli (1990) propuseram a utilização do processo de alargamento para usinar o chanfro interno numa superfície. A superfície de teste foi previamente usinada com um ângulo estabelecido. Foram monitorados os momentos torçores nas direções de corte e de recuo. Este método é mais uma variante do "tapping test" e objetiva avaliar a eficiência lubrificante dos fluidos. Eles avaliaram os fluidos mineral integral, emulsionável, semi-sintético e sintético. Os melhores resultados foram encontrados para o óleo mineral integral. Este método é realizado em velocidades de corte baixas, em torno de 6,5 m/min. Isto limita a extrapolação de seus resultados para aplicações práticas. Em operações envolvendo usinagem existem diversos trabalhos. Principalmente na furação, que é um processo em que a geração de calor e os mecanismos de formação do cavaco se processam em regiões de difícil acesso ao fluido. Normalmente são ensaios de longa duração, o que os torna onerosos. Como exemplo, De Chiffre (1978) avaliou a performance de fluidos mineral integral, emulsionável e sintético aditivado com enxôfre e cloro. Ele utilizou os processos de furação e alargamento e monitorou os momentos torçores nas direções de corte e de recuo. Utilizou outras duas variantes da furação e do alargamento, executando furos sobre pré-furos e alargando superfícies cônicas. Ele mostrou que o desempenho dos fluidos de corte é fortemente sensível ao processo, às condições de corte, bem como ao critério de performance estabelecido. Kurimoto e Barrow (1981) estudaram a influência dos fluidos emulsionável e mineral integral no desgaste de ferramentas de aço rápido. Os fluidos foram testados com e sem a presença de aditivos EP. Eles realizaram ensaios no torneamento, monitorando as forças de usinagem, a temperatura na interface cavaco-ferramenta pelo método do termopar ferramenta-peça, a vida da ferramenta, a espessura do cavaco e a área de contato cavaco-ferramenta. Segundo eles, os resultados Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 209 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências encontrados mostraram que dos fluidos testados em condições reais de usinagem, os minerais integrais não penetraram na interface e consequentemente não atuaram como lubrificantes, enquanto os fluidos emulsionáveis apresentaram uma considerável penetração. Em um novo trabalho Kurimoto e Barrow (1982) persistiram no estudo de acessibilidade dos fluidos na interface. Neste trabalho eles avaliaram a influência dos fluidos emulsionáveis no desgaste de ferramentas de metal duro. Segundo eles, os resultados encontrados mostraram que nenhum dos fluidos testados apresentaram resultados representativos sobre os parâmetros avaliados, indicando que eles não penetram na interface cavaco-ferramenta para exercer a ação lubrificante e a ação refrigerante não é suficientemente grande para afetar os mecanismos de formação do cavaco. Analisando estes dois trabalhos de Kurimoto e Barrow nota-se que a alteração de qualquer componente do sistema tribológico, como material da ferramenta e/ou da peça, composição do fluido e parâmetros de corte, os resultados podem mudar completamente. Isto confirma a natureza sistêmica da usinagem dos metais. Säynätjoki e Routio (1992) realizaram ensaios experimentais de usinagem, na furação, seguindo a norma ISO 3685 (1977), que padronizou ensaios de vida de ferramentas. Eles avaliaram fluidos emulsionáveis com dois tipos de óleos básicos: mineral e vegetal. Eles não encontraram diferenças significativas entre os fluidos testados. Machado e Wallbank (1997a) propuseram uma nova técnica para testar os efeitos lubrificantes dos fluidos. O método consiste na aplicação de pequenas quantidades de fluidos (25 ml/h) juntamente com ar comprimido. A mistura ar-óleo é feita por meio de um venturi e direcionada na superfície de saída da ferramenta, contra o fluxo de cavaco. Eles realizaram testes no torneamento e monitoraram as forças de corte e de avanço, a espessura do cavaco e a rugosidade da superfície. Os resultados encontrados, principalmente para a força de avanço, foram encorajadores. Motta (1994) e Vieira (1997) realizaram estudos sobre a performance de fluidos emulsionáveis, semi-sintéticos, sintéticos e a condição a seco para efeitos Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 210 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências comparativos, nos processos de torneamento e fresamento, respectivamente. Motta (1995) encontrou melhora substancial na vida das ferramentas, com a utilização de fluidos. Entretanto, Vieira (1997) encontrou resultados desfavoráveis. Isto confirmou a conclusão encontrada por De Chiffre (1978), sobre a sensibilidade do fluido ao processo. Sales (1999), avaliou o desempenho de diversos fluidos de corte, por meio da medição de forças de corte, utilizando-se de uma plataforma piezelétrica Kistler, no processo de torneamento. O fluido foi aplicado na posição sobre-cabeça à vazão de 4,5 l/min. Na Figura 7.8 mostra-se os resultados experimentais obtidos. Os ensaios que envolvem usinagem, normalmente são de longa duração e dispendiosos. Por isso, existe a tendência de testar os fluidos em laboratório em condições que possam garantir a transferibilidade dos resultados obtidos para as situações reais de trabalho. Mas isso não irá dispensar os ensaios reais que poderão comprovar os de laboratório e realmente determinar o desempenho do fluido sob avaliação. Outros tipos de testes são utilizados, mas com outros objetivos como: controle da concentração, testes biológicos controlando a quantidade de fungos e de bactérias, estabilidade das emulsões, viscosidade, concentração de íons H+, pH, entre outros (Metals Handbook, 1989). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 211 Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Fluidos de Corte: Fundamentos, Aplicações e Tendências f = 0,138 mm/rev Seco 550 ap = 1 mm Emulsionável 5% Integral 500 Sintético1 5% Emulsionável 5% 450 Emulsionável 10% Emulsionável Integral 10% 400 Sintético 1 5% Seco Sintético1 10% 350 Sintético 1 10% 300 9 28 86 172 219 277 vc [m/min] Figura 11.8 - Variação da força de corte com a velocidade para os diversos fluidos. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 212 foi investigada a possibilidade de as falhas terem sido provocadas por alterações nas características do material da peça durante o processo de usinagem. A integridade superficial tornou- se oficialmente um campo de estudos. Por outro lado. química ou outros tipos de transformação (Lucca et al. O termo “integridade superficial” foi citado pela primeira vez em 1964 por Field e Kahles. que podem reduzir a resistência à fadiga peça. No início da década de 1960. 1972). como definição para o conjunto de alterações na superfície das peças devido à ação de ferramentas de corte ou de outros processos de fabricação. Como não foram encontrados erros de projeto. Como grande parte desses componentes são submetidos a cargas cíclicas e para que os critérios de segurança sejam atingidos sem aumento excessivo de peso. durante a 21ª Assembléia Geral da CIRP (Setembro de 1971).. é comum que os eles sejam projetados para suportar um determinado número de ciclos ao longo de sua vida. Na época os pesquisadores constataram que durante o processo de fabricação podem ocorrer alterações na superfície ou em uma camada subsuperficial da ordem de grandeza de micrometros. As alterações superficiais podem ser de natureza mecânica. fabricação nem na matéria-prima utilizada. a falha prematura de algumas dessas peças foi motivo de profundas investigações. ao fim do qual a peça é substituída.. A partir daí surgiu a linha de pesquisas conhecida como “integridade superficial”.1 Introdução A falha de peças fabricadas para a indústria aeronáutica pode ter conseqüências catastróficas. A natureza de uma superfície é caracterizada pela textura superficial e pelas transformações metalúrgicas ocorridas na região subsuperficial da peça (Field et al. 1998). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Capítulo 12 Integridade Superficial 12. o peso excessivo deve ser evitado por limitar a capacidade de carga e aumentar o consumo de combustível da aeronave. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 212 . metalúrgica. TENSÕES RESIDUAIS E DISTORÇÕES A TRAÇÃO 3. mecânicas ou químicas que podem ocorrer na camada superficial de peças usinadas Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 213 . MICRODUREZA Figura 12. TRANSFORMAÇÃO DE FASE D). 1971).. CORROSÃO SOB TENSÃO B). MACROATAQUES 2. como a resistência à fadiga. ATAQUE INTERGRANULAR E). – Níveis de informação para a determinação da integridade superficial de uma superfície e os seus efeitos (Field et al. MACROESTRUTURA (AUMENTO DE 10 X OU MENOR) DE SE OBTER DADOS PARA PROJETO) A). FORMÇÃO DE “PITS”. OUTROS C). pois cada item avaliado contribui para a elevação do custo final da peça. ENSAIOS DE FADIGA (COM O OBJETIVO 2. (1972) o estudo da integridade superficial pode ser dividido em três níveis. FLUÊNCIA B). ENSAIOS DE FADIGA 1. O nível de conhecimento da integridade superficial das peças depende do quão crítica é a sua aplicação. ACABAMENTO SUPERFICIAL 1. F). ENSAIOS MECÂNICOS 3.. com vida pré-determinada ou quando sua a falha representa riscos à integridade física de usuários (Field et al. O conjunto completo contém os dois primeiros e ainda informações complementares sobre a resistência à fadiga além de resultados de ensaios mecânicos. 1972). DEFORMAÇÃO PLÁSTICA D. Em geral. ATAQUE SELETIVO 4. O conjunto padrão inclui informações a respeito do comportamento da peça usinada. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Segundo Field et al. MICROTRINCAS C.1. 1. as situações em que a análise da integridade superficial é necessária são as que envolvem peças de elevado custo de fabricação. MACROTRINCAS 2. à corrosão sob tensão e as tensões residuais. A abordagem do assunto é dividida em duas partes: a primeira trata do estudo da topografia das superfícies e a segunda das transformações metalúrgicas. CONJUNTO COMPLETO DE INFORMAÇÕES CONJUNTO PADRÃO DE INFORMAÇÕES CONJUNTO MÍNIMO DE INFORMAÇÕES 1. O conjunto mínimo de informações que permitem a caracterização da natureza da camada superficial da peça. feita por meio da textura. RESÍDUOS DE APC G). da macro e microestruturas e microdureza. MICROESTRUTURA B TENSÃO DE RUPTURA A). ETC. CAMADAS FUNDIDAS H). como mostra a Figura 12. Textura Superficial 12. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial 12.3. As características de uma superfície são definidas em três níveis: erros de forma.com rugosidade ondulação textura = ondulação + rugosidade Figura 12.1 Introdução Uma superfície. apresenta irregularidades inerentes do próprio processo de geração. 2.2 mostra o esquema de uma superfície real. como a mostrada na Figura 12. de acordo com a distância entre as irregularidades. O desvio de forma corresponde à curvatura do terreno. A Figura 12. as ondulações menores à ondulação e a superfície da areia à rugosidade. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 214 . Dagnall (1986) ilustra a diferença entre as características de uma superfície em escala maior por meio da fotografia de uma duna. Aspecto de uma superfície.2. www. por mais lisa que pareça. 2 . ondulação e rugosidade.predev. 2 . 12. A textura superficial pode estar relacionada ao desempenho do componente fabricado. Nesse aspecto é importante ressaltar que o acabamento da superfície deve manter o custo de produção dentro de valores aceitáveis.Medição da Textura Superficial Uma série de fatores justifica o ato de medir a textura superficial de uma peça: A qualidade da superfície obtida está relacionada com as características do processo de fabricação. Um bom exemplo é o caso de duas superfícies em movimento relativo. Duna mostrando em larga escala as diferentes características de uma superfície.2. pode-se dizer que “a textura superficial é a impressão digital do processo de manufatura. A função a que o componente é destinado também pode estar intimamente relacionada à textura da superfície. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Figura 12. Em outras palavras. desgaste excessivo da ferramenta de corte. no que diz respeito à sua capacidade de operação dentro dos padrões de qualidade e à sua aparência.3. Assim qualquer alteração no processo como uma eventual mudança na dureza ou na composição química da matéria prima.” Dagnall (1986). o adoção de parâmetros de corte inadequados. instabilidade da máquina apresentam reflexos na textura da peça produzida. Pode-se imaginar que quanto mais lisas forem as superfícies Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 215 . O apalpador se desloca na direção vertical acompanhando a topografia da superfície. Em casos em que as superfícies são lubrificadas. A resistência térmica de contato é fortemente dependente da área real de contato entre duas superfícies e em aplicações que se requer dissipação de calor pode ser um fator determinante do desempenho. O perfil da superfície é ampliado e registrado no papel. Os deslocamentos são ampliados e registrados e então é determinado o perfil da superfície.3 . A seguir são apresentadas as definições de alguns parâmetros que fornecem informações a respeito do perfil de rugosidade. que deve ser grande o suficiente para permitir uma ampliação perceptível.Quantificação da Textura Superficial Uma vez mostrada a importância de se controlar a textura superficial de uma peça. mas essa afirmação nem sempre é verdadeira. bem como as técnicas empregadas com essa finalidade. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial melhor. Peças destinadas a pintura são um exemplo da relação da textura superficial com a aparência do produto final. a construção de um equipamento como o mostrado na Figura 4 apresenta uma série de problemas como o comprimento da haste. dificuldades de se determinar parâmetros para descrever a topografia da amostra com base no perfil ampliado impresso. A medição da textura de uma superfície pode ser feita por contato ou óticos. devido à sua complexidade. o óleo deve ser mantido nas superfícies e para isso elas devem apresentar vales para retenção do lubrificante. A figura 4 mostra o princípio de funcionamento do método de medição da textura superficial por contato. A determinação de parâmetros que definam a textura de uma superfície é uma tarefa difícil. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 216 . é preciso definir grandezas permitam caracterizá-la. Uma superfície é mais lisa que o necessário pode representar custos adicionais sem corresponder a melhora do desempenho. A amostra e o papel se movimentam em sentidos opostos. Em termos práticos. 2. No primeiro caso utiliza-se um apalpador que percorre a superfície deslocando-se de acordo com a topografia da região. 12. Para que seja feita a medida da rugosidade é preciso antes apresentar algumas definições fundamentais. Existe um grande número de parâmetros que definem a rugosidade de uma superfície. Os instrumentos que utilizam o princípio ótico funcionam com base nesse princípio. – Princípio de funcionamento do método de medição da textura superficial por contato.4. − Parâmetros de espaçamento: são determinados em função da distância entre as irregularidades ao longo da superfície. − Parâmetros híbridos: são determinados pela combinação dos parâmetros de amplitude e de espaçamento. armazenados e utilizados para a determinação dos parâmetros. com a diferença que o deslocamento do apalpador é convertido em sinais elétricos que são amplificados. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 217 . que podem ser divididos em três grupos de acordo com o perfil de rugosidade quantificado: − Parâmetros de amplitude: são determinados em função da altura dos picos e/ou profundidade dos vales a partir um referencial na horizontal. Os instrumentos utilizados para a medição da rugosidade de superfícies por contato seguem o mesmo princípio mostrado na figura 4. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Ampliação da topografia da superfície Perfil de rugosidade da superfície amostra Ponto de pivotamento da barra Sentido do movimento da amostra Papel Sentido de movimento do papel Figura 12. A topografia de uma superfície influencia o comportamento de um feixe luminoso que incide sobre ela. O comprimento de amostragem corresponde a cada trecho utilizado para o cálculo dos parâmetros.4. O comprimento total é o comprimento de amostragem acrescido de dois trechos nas extremidades que não são considerados no cálculo dos parâmetros de rugosidade e ondulação. Os comprimentos inicial (“run up”) e final (“overtravel”) são desprezados porque a agulha do instrumento percorre esses trechos com velocidade variável. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Comprimento avaliado Os comprimentos avaliados na quantificação da textura de uma superfície são divididos em três comprimentos característicos. que corta a superfície na posição em que a área dos Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 218 . Linha de Centro A medida dos parâmetros de rugosidade é feita com base em uma linha imaginária. Ele deve ser suficiente para assegurar a significância estatística sem ser longa a ponto de incluir detalhes insignificantes. Compensação inicial Compensação final Comprimento de análise Comprimentos de amostragem Comprimento total Figura 12. mostrados na figura 4. – Comprimentos de análise para cálculo da rugosidade. chamada linha de centros. O comprimento de análise corresponde à soma de todos os comprimentos de amostragem. – Posicionamento da linha de centro Cut-off O perfil de rugosidade de uma superfície é complexo e pode ser comparado a um sinal de ruído branco. abaixo da linha. formado por várias ondas de diferentes freqüências. Essa seleção é feita por meio do “cut-off” que representa o máximo espaçamento entre as irregulariades que farão parte do cálculo da rugosidade. A Figura 12. Irregularidades maiores que o comprimento de cut- off são consideradas ondulações. então. O cut-off atua.6 ilustra os perfis de rugosidade e ondulação de uma superfície. acima da linha eqüivale à área dos vales. A E G C B D F H Linha de centro área A + C + E + G = área B + D + F + H Figura 12.5. Antes de se determinar a rugosidade da superfície é preciso definir quais desses perfis serão considerados no cálculo da rugosidade.5 vezes superior à distância entre picos do perfil de rugosidade (Mummery. como um filtro utilizado para separar a rugosidade da ondulação. O comprimento de cutt-off é selecionado no próprio instrumento de medição e recomenda-se que ele seja pelo menos 2.5 mostra o posicionamento da linha de centros. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial picos. A Figura 12. 1992). ou seja. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 219 . .. ... Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial superfície nominal defeito da superfície seção normal perfil geral da superfície (incluindo desvios de forma) perfil de ondulação perfil de rugosidade Figura 12....6. yn Figura 12...6.....Parâmetros de Rugosidade Rugosidade Média Ra A medida da rugosidade média de uma superfície é o parâmetro mais difundido. como mostra a Figura 12..Perfil de rugosidade e de ondulação de uma superfície (www.6...Derivação matemática de Ra e Rq O valor da rugosidade média de uma superfície é dado por: Ra=(|y1|+|y2|+...predev... É determinada a partir da média das distâncias entre os pontos da superfície e a linha de centro...+|yn|)/n (1) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 220 ..2. 12.. y y3 y4 5 y6 y2 y7 y1 y8 .. ..com)..4 ... ao longo do comprimento de amostragem. +yn2)/n]1/2 (2) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 221 . de forma esquemática. outros parâmetros foram definidos. Ra Rmáx Ra Rmáx Ra Rmáx Ra Rmáx Figura 12. Rugosidade Média Quadrática Rq (RMS) O parâmetro Rq é definido por: Rq=[(y12+y22+. 1986). superfícies com características distintas e que apresentam o mesmo valor de Ra..7 mostra.. Como o parâmetro Ra não permite caracterizar a geometria das irregularidades da superfície.7. – Perfis que apresentam o mesmo valor de Ra e diferentes geometrias (Dagnall. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Superfícies com diferentes aspectos podem apresentar o mesmo valor de Ra. A Figura 12. 7 4 4. A seguir são apresentados alguns desses parâmetros. A Figura 12. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 222 .08 2.1. com médias quadráticas que são tanto maiores quanto maior for a dispersão dos valores.1.69 A dificuldade de se estabelecer um parâmetro que represente o aspecto geral da topografia de uma superfície fez com que surgissem vários outros parâmetros. 6 4 4. o parâmetro Ra é pouco sensível à variação dessa característica e com isso surgiram parâmetros que representam melhor o perfil de picos e vales da superfície. medida na direção perpendicular à linha de centro em todo o comprimento de análise. 4. só que dentro do comprimento de amostragem. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial O exemplo a seguir. Parâmetros que especificam a altura entre picos e vales Em alguns casos é desejável que se especifique a máxima altura dos picos e/ou dos vales de um perfil de rugosidade. mostra que o parâmetro Rq pode representar melhor a natureza de uma superfície. Tabela 12. 4. definidos de modo a destacar uma característica específica da superfície que é importante para uma aplicação. 5 4 4.8 mostra três desses parâmetros: o Rmáx. A determinação do Rmáx é semelhante á do Rt.32 1. 4. A Tabela 12. Seqüência Média aritmética Média quadrática 3.1 apresenta três seqüências de valores cuja média aritmética é 4. – Seqüências de valores com a mesma média aritmética e diferentes médias quadráticas. Como mostra o exemplo da Tabela 12. apresentado por Dagnall (1986). O parâmetro Rt expressa a distância entre o pico mais alto e o vale mais profundo. o Rp e o Rt. 9). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 223 . é expressa com uma porcentagem. (Figura 12. em relação ao comprimento de avaliação e. em qualquer profundidade especificada no perfil. uma placa de polimento) repousando sobre o pico mais alto de um perfil. a linha de topo de perfil remanescente (a linha de contato) move para baixo o perfil e o comprimento da superfície em contato com a placa de polimento (a superfície de contato) aumenta. o Rp e Rt 12.8 – Representação dos parâmetros Rmáx.3 . simula o desgaste que ocorre em um componente que fornece uma superfície de contato para outro componente que se move relativamente a ele. À medida que o pico se desgasta.Razão de Material – Curva de Abbott-Firestone O parâmetro Razão de Material (Fração de contato). Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial R m áx1 R m áx2 R m áx3 R m áx4 R m áx5 R m áx1 Rt L L L L L Com prim ento de análise Figura 12.9 onde uma superfície plana (por exemplo. Um exemplo desse parâmetro é visto na Figura 12. À Razão de Material é a razão do comprimento da superfície de contato. e então medindo os comprimentos do perfil interceptado. A Razão de Material pode ser determinada a partir do gráfico desenhando uma linha de contato paralela à linha média. a maneira no qual o valor da Razão de Material varia com a profundidade pode ser vista. Esta curva representa a razão de material da superfície do perfil em função da profundidade. e fornece um meio de distinguir diferentes formas do perfil. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 224 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Figura 12. Plotando a Razão de Material em uma faixa de profundidades no perfil.9. Razão de Material / Fração de contato / Tp.10. na profundidade selecionada. então a curve de razão de material (ou Abbott-firestone) é obtida. como mostra a Figura 12. Plotando o valor da razão de material (rm) contra a profundidade abaixo do pico mais alto (ou a distância a partir da linha média) entre os limites 0% e 100%. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Figura 12.10. 12.Parâmetros da Curva de Abbott-Firestone Figura 12. Curva de Abbott-Firestone.1 . Parâmetros da curva de Abbott-Firestone.11.3. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 225 . : Parâmetro para cálculo de Vsf Remanescente dos sulcos principais. parte superior da superfície. Obs.: Parâmetro para cálculo de Vsf Rk Parte intermediária da rugosidade. Obs. Obs.2 .: Parâmetro para cálculo de Vsr Valor em percentual de fração de corte da superfície quando se Mr2 desgasta o material intermediário (Rk).: Parâmetro de cálculo de retenção de fluido lubrificante (Vr) Volume de retenção de fluido de lubrificação por unidade de superfície Vr Vr = (100 . que Rpk rapidamente se desgasta na primeira rodagem. mostrados na Figura 12.Mr2) * Rvk / 2000 Volume de sobremetal de (primeira) rodagem por volume de Vsr superfície Vsr = Mr1 * Rpk / 2000 Volume de sobremetal de funcionamento por unidade de superfície Vsf Vsf = 100 * Rk / 2000 A textura da superficial e a razão de contato são parâmetros importantes para o desempenho de peças usinadas ou dos equipamentos em que elas forem montada. Obs. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Tabela 12. Obs.12 Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 226 .: Parâmetro para cálculo de Rvk retenção de fluidos de lubrificação Vr Valor em percentual de fração de corte da superfície quando se Mr1 desgasta o material de primeira rodagem (Rpk). Parâmetro Descrição / Equação Corte dos picos mais altos.Descrição dos parâmetros da curva de Abbott-Firestone. Um bom exemplo é a textura gerada na superfície interna de cilindros de motores de combustão interna. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Figura 12. • A ferramenta e a peça estão corretamente posicionadas e centradas (evitar desvios). bolhas e inclusões). A geração de uma topografia adequada é obtida por meio da operação de brunimento. 1999): • Deflexões geradas por esforços de usinagem ou vibrações são pequenas. • O material da peça é inerentemente puro. livre de defeitos (trincas.4 .12 – Cilindro de motor de combustão interna. incluindo: a geometria da ferramenta de corte. • A aresta de corte sem quebras.Efeitos de Alguns Parâmetros de Usinagem no Acabamento Superficial O acabamento superficial sofre influência de vários parâmetros de usinagem. condições de corte e material da ferramenta. 1983 e Machado e Da Silva. • A ponta da ferramenta não é aguda. • Corte sem aresta postiça de corte (APC). Em geral a rugosidade é menor (ou o acabamento é melhor) quando (Drozda e Wick. de modo a impedir o contato direto com os anéis dos pistãos. 12. material da peça. A superfície das paredes do cilindro deve favorecer a fixação de óleo lubrificante. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 227 . • O eixo principal da máquina ferramenta está corretamente alinhado e as guias sem desgastes. geometria da peça. rigidez da máquina ferramenta. as alturas das ondulações e deflexões são menores. mas uma redução no ângulo de posição diminui as marcas de avanço e melhora o escoamento do cavaco e acabamento. O atrito gera forças adicionais que causam as deflexões. com apreciável melhora no acabamento. evitando que esses fragmentos fiquem grudados nas superfícies usinadas. Entretanto um raio de ponta excessivo pode gerar vibrações.o ângulo de folga deve ser suficiente para prevenir o atrito entre a ferramenta e superfície usinada. pode causar vibrações. peças grandes (grandes seções transversais). Como resultado. χ muito pequeno. as ondulações são mais pronunciadas.o efeito destes ângulos é pequeno. χr e χ’r (ângulo de posição).o raio de ponta da ferramenta deve ser suficientemente grande para diminuir o efeito dos dentes de serra das marcas de avanço. Devem possuir valores adequados para ajudar na saída de fragmentos de APC.5 x “ƒ” para remover parcialmente ou totalmente as marcas de avanço.quanto maior o ângulo de saída. Por outro lado. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 228 . pode causar vibrações. porém. O contato com atrito tende a imprimir na superfície usinada. Geometria da Ferramenta Peças longas e finas são mais sensíveis a forças elásticas e dinâmicas. Este método. rn . α . É comum usar χr=0o por um comprimento de 1. menores as forças de usinagem e portanto. o perfil do desgaste da ferramenta. Aumento do ângulo de posição lateral aumenta a altura das marcas de avanço e prejudica o acabamento. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Geometria da Ferramenta γ . Porta Ferramenta Deve possuir suficiente seção transversal para minimizar deflexões. são rígidas e as alturas das ondulações são pequenas. microestrutura e a consistência metalúrgica são fatores que podem afetar o acabamento superficial. A Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 229 . À velocidades de corte mais elevadas. O avanço e a profundidade de corte são muito mais influentes no acabamento superficial. em geral. • Granulação fina e alta dureza dos microconstituintes. Material da Peça Composição química. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial Rigidez e Precisão da Máquina-Ferramenta A máquina operatriz rígida. Condições de Corte A velocidade de corte. sem problemas. não irá interferir no acabamento superficial. • Precisão na fabricação para reduzir ao mínimo o desalinhamento. A altura dos picos e a profundidade dos vales das marcas de avanço são proporcionais ao quadrado do avanço. o avanço é mais influente. sem erros de alinhamento e com movimentos precisos. • Adequada resiliência para evitar deflexões. Em geral. • Alta dureza e baixa ductilidade. Dos dois. • Ter uma base (fundação) adequada para minimizar vibrações e transmissão para outras máquinas. o acabamento superficial é melhorado com: • Uma composição química que desfavorece o aparecimento da APC. tende a melhorar o acabamento superficial. Em baixas velocidades as forças são maiores e pode acontecer APC. dureza. • Alta consistência nas propriedades (ao longo de toda seção transversal). • Rigidez e amortecimento contra vibrações. o acabamento superficial torna-se insensível à velocidade de corte. Características são desejáveis: • Potência suficiente para manter a velocidade e o avanço requerido. • Meios adequados para suportar rigidamente a peça e a ferramenta. Quanto menor o atrito entre a peça e a ferramenta. os metais duros e as cerâmicas são superiores ao HSS. Assim. Em usinagem. melhor o acabamento superficial. Neste ponto. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial profundidade de corte aumenta as forças e. mas faltam trabalhos que os correlacione simultaneamente. O entendimento do processo permite que para cada nova situação se possa refletir e tomar a decisão mais sensata para o problema. caracterizando-o como altamente sistêmico não linear e de alta sensibilidade. ele diminui o atrito entre a ferramenta e a peça ou cavaco. Tudo isto. portanto as deflexões. A análise de cada um deles realizada de forma isolada já é relativamente difundida. o HSS torna-se mais adequado. A altura das ondulações também é aumentada com a profundidade de corte. Como lubrificante. permitindo a eliminação da APC. metais duros e cerâmicos são melhores que HSS (aço rápido) e aço carbono. Existem na literatura inúmeros trabalhos referentes a desgaste da ferramenta. do material da ferramenta ou da peça pode alterar totalmente os resultados encontrados. melhora o acabamento superficial. Material da Ferramenta de Corte Materiais mais resistentes suportam maiores velocidades. A simples alteração do processo. Em aplicações onde a tenacidade é primordial para manter a aresta de corte livre de falhas. temperatura na interface e temperatura e rugosidade da peça. Fluido de Corte Como refrigerante. Entre os dois primeiros as diferenças são pequenas. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 230 . ele diminui o desgaste. é grande o número de fatores que podem influenciar nos resultados. reduzir a resistência à fadiga e a resistência à corrosão sob tensão. • Tensões residuais. • Microtrincas e macrotrincas. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Integridade Superficial 12. Essas alterações podem provocar distorções. • Transformações de fase.Alterações Metalúrgicas Além da textura superficial. • Ataque intergranular. 1971): • Deformações plásticas resultantes de deformações a quente ou a frio. outro aspecto importante da integridade superficial de peças usinadas é relacionado a possíveis transformações metalúrgicas que podem ocorrer nas proximidades da superfície devido à ação de esforços mecânicos e das elevadas temperaturas em conseqüência da ação da ferramenta de corte.5 . • Fragmentos de aresta postiça de corte. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 231 . Essas alterações podem ser relacionadas a (Field. mas é preciso conhecer o “quanto” essa usinabilidade é melhor e quando se trata de atribuir valores. Entre esses parâmetros podem ser citados: Tipo e forma do cavaco formado. Integridade superficial da peça usinada. Formação de rebarbas. portanto. pode-se afirmar que um material possui usinabilidade melhor que a de um outro se apresentar maior facilidade de ser usinado. Partindo do conceito de usinabilidade como a facilidade de se usinar um material. o termo usinabilidade apresenta um significado mais complexo. não basta saber que um determinado material apresenta usinabilidade melhor que o outro. Máxima taxa de remoção de material (condições de corte admissíveis). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 232 . Assim. Temperatura de corte. o termo usinabilidade não apresenta nenhuma dificuldade em ser compreendido. Vida da ferramenta.1 Introdução O significado do termo usinabilidade é diretamente associado à facilidade ou a dificuldade de se usinar um determinado material. Os parâmetros citados acima são conhecidos como parâmetros de usinabilidade. devem ser tomados os parâmetros que fazem com que a usinagem seja mais ou menos favorecida. Do ponto de vista conceitual. Força e potência de usinagem. Estabilidade química e metalúrgica do material da peça. Em termos práticos. em primeiro lugar. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Capítulo 13 Usinabilidade dos Metais 13. Propriedades físicas ou mecânicas dos materiais (relação com a força e potência de usinagem). haja vista que. devem ser utilizadas as mesmas condições de corte e a mesma ferramenta na usinagem dos dois materiais. por se tratar de um material de elevada ductilidade. o que. pois a cunha cortante da ferramenta será mais solicitada na usinagem do aço-carbono e. Para exemplificar essa afirmação. entre outros. desenvolvidos tanto para a medição da usinabilidade de materiais quanto para avaliar o desempenho de diferentes ferramentas de corte na usinagem de um material. depende de outros fatores como o processo de usinagem. há a possibilidade de a liga de alumínio apresentar pior usinabilidade. aplicação de fluido de corte. com ênfase nos principais materiais utilizados nos processos de fabricação por usinagem que são as ligas de alumínio. O estudo da usinabilidade dos metais é um assunto complexo e tem sido tema de pesquisas desde a primeira metade do século XX. material e geometria da ferramenta. com isso. Se for utilizada uma ferramenta com ângulo de saída positivo e de valor elevado.2 são apresentados alguns ensaios de usinabilidade.3 trata da usinabilidade dos metais. os ferros fundidos e os aços. por sua vez. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 233 . A comparação de usinabilidade entre dois materiais diferentes é difícil de ser estabelecida. se a ferramenta apresentar ângulo de saída pequeno. um material pode apresentar usinabilidade melhor que outro segundo um determinado critério e pior em relação a outro. pode-se tomar como exemplo o torneamento de um aço-carbono e de uma liga de alumínio. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Diante do grande número de parâmetros de usinabilidade. Alguns tópicos relevantes do assunto são abordados neste capítulo. Com base nos fatos relatados até aqui. o cavaco formado será contínuo e encontrará dificuldades de se mover sobre a superfície de saída da ferramenta. pode-se dizer que a usinabilidade não é uma propriedade intrínseca do material. Na seção 13. Por outro lado. é mais propensa a sofrer desgaste. mas sim expressa o comportamento do material durante a usinagem. Nesse caso o estudo da usinabilidade depende de quais parâmetros são os mais influentes. Como se trata de uma análise comparativa. é grande a possibilidade de a liga de alumínio apresentar melhor usinabilidade em relação ao aço-carbono. A seção 13. pois ela está vinculada a uma série de condições. Nos testes de ranqueamento é determinada a usinabilidade relativa entre duas ou mais combinações peça-ferramenta.2 Ensaios de Usinabilidade Os procedimentos experimentais utilizados para a determinação da usinabilidade constituem os ensaios de usinabilidade. Os testes absolutos são sempre de longa duração. Nos ensaios que não requerem usinagem a usinabilidade é obtida a com base na composição química. Testes de curta duração. Os ensaios de usinabilidade podem também ser classificados quanto ao tempo de duração em: Testes de longa duração. Mills e Redford classificam os ensaios de usinabilidade em duas categorias básicas em: Ensaios que requerem usinagem. propriedades físicas ou na microestrutura do material da peça usinada. Ensaios que não requerem usinagem. Os testes que não requerem usinagem são sempre classificados como testes de ranqueamento e de curta duração. Quanto à natureza dos resultados obtidos. A seguir são apresentados alguns exemplos de ensaios de usinabilidade. os ensaios de usinabilidade são classificados em: Testes de ranqueamento (“ranking tests”). Apesar dos diferentes critérios de classificação. em condições de corte estabelecidas. na década de 1950 e é considerado um dos testes de ranqueamento mais Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 234 . 13. os ensaios de usinagem apresentam certa relação entre si. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais 13. Testes absolutos.2.1 – Ensaio com aplicação de pressão constante O ensaio de furação com força de avanço constante foi desenvolvido por Bouguer et al. Os testes absolutos fornecem a usinabilidade relativa em faixas de condições de corte. O teste consiste em aplicar uma força constante na direção de avanço e na medição do intervalo de tempo para a ferramenta realizar um determinado deslocamento ou no percurso descrito pela ferramenta em um intervalo de tempo pré-fixado. Os pesos fixados ao carro porta-ferramenta por meio de um cabo garantem que a pressão aplicada pela ferramenta sobre a peça seja constante. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 235 . 1983).2. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais conhecidos (Mills e Redford. O ensaio pode ser aplicado nos processos de torneamento e furação. Sua representação esquemática é apresentada na Figura 13. Representação esquemática do ensaio de usinabilidade com aplicação de pressão constante no processo de torneamento. PEÇA CARRO ROLDANA PESOS TORNO MECÂNICO Figura 13. O desenho esquemático do ensaio de pressão constante no processo de torneamento é apresentado na Figura 13.1. O ensaio de usinabilidade por meio da aplicação de pressão constante no processo de furação é apresenta construção mais simples.1. um disco com diâmetro aproximado de 500 mm é fixado à placa de um torno e colocado para girar em rotação constante. O aumento do diâmetro torneado provoca o aumento contínuo da velocidade de corte até a ferramenta perca a capacidade de corte. cabo. e pesos que têm por objetivo aplicar a pressão constante na furação. devido ao desgaste acentuado. 13.2.2 Faceamento rápido No ensaio de faceamento rápido. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 236 . cuja montagem experimental é mostrada na Figura 13.3. A preparação do equipamento. A posição da ferramenta no instante em que ocorreu a perda de sua capacidade de corte é identificada na peça pela modificação brusca da topografia da superfície.2. Representação esquemática do ensaio de furação com aplicação de pressão constante no processo de furação. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais POLIA BROCA PEÇA PESOS Figura 13. Uma ferramenta de corte (normalmente de aço-rápido) é posicionada próximo ao centro do disco e se desloca na direção radial. consiste na retirada da mola de retorno da furadeira e adaptação de uma polia. no caso uma furadeira de coluna. 3. apresenta a forma: −x T = K .4 (b).4 (a). que corresponde ao valor máximo do desgaste admissível (0. Com base no comportamento dessas curvas é estabelecido o critério de fim de vida.4) e determinados os valores de vida das ferramentas. A posição em que ocorre a falha da ferramenta é determinada ao longo da face do cone. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 237 . conforme mostrado na Figura 13.2. É sabido que a equação de vida da ferramenta. Para isso são levantadas as curvas de evolução do desgaste como as mostradas na Figura 13.2. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Figura 13.4 – Ensaio de vida – determinação da equação de Taylor O ensaio de vida de ferramentas de corte é um ensaio de longa duração e tem como objetivo obter a vida da ferramenta em função da velocidade de corte.v c (1) Onde: T é a vida da ferramenta em minutos. Montagem experimental do ensaio de faceamento rápido.3 – Torneamento Cônico O ensaio de usinabiidade por torneamento cônico é baseado no mesmo princípio do ensaio de faceamento rápido. só que o aumento da velocidade de corte ocorre com o aumento da seção transversal de uma peça cônica. 13. A seguir é plotado um gráfico da vida da ferramenta em função da velocidade de corte. vc é a velocidade de corte em m/min.8 mm na Figura 13. 13. denominada equação de Taylor. Os procedimentos para o levantamento da equação de Taylor dependem de disponibilidade de tempo e de recursos materiais. A b Figura 13. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 238 . – Curvas típicas de evolução de desgaste ao longo do tempo e de vida de ferramentas em função da velocidade de corte.4. alguns aspectos gerais podem ser tomados como base de comparação da usinabilidade de diferentes materiais. Apesar disso. denominados coeficientes da equação de Taylor. como a energia necessária para se usinar um determinado volume fixo de material. cujos valores relativos são mostrados na Tabela 13.3 Usinabilidade dos materiais Conforme citado na seção 13. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais K e x são constantes para cada para par ferramenta. pois a ferramenta deve ser levada ao final de vida para cada velocidade de corte adotada. que têm como base o magnésio.1. 13.4 (b) obtêm-se os valores dos coeficientes da equação de Taylor.1. Por meio da linearização da curva de vida mostrada na Figura 13. a usinabilidade dos materiais depende fundamentalmente do parâmetro considerado e das condições de realização dos testes. 3 Ferro fundido 3.5 Aços de baixo carbono 6. elevada condutividade térmica. são apresentadas a seguir características específicas da usinabilidade do alumínio e suas ligas. 660 ºC que é considerada baixa.0 A partir dos valores mostrados na Tabela 13.0 Ligas de alumínio 1.1. que resulta em um cavaco contínuo e em elevadas áreas de contato cavaco-ferramenta o que acarreta Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 239 . dos ferros fundidos e dos aços. 13.1 Potência relativa de corte com base na usinagem de ligas de magnésio (Metals handbook). o alumínio comercialmente puro apresenta alguns aspectos característicos relacionados à sua elevada ductilidade. Quanto à usinabilidade. alta ductilidade e elevada redução da dureza com o aumento da temperatura. Cabe ressaltar que essa última característica pode ser associada à temperatura de fusão do Al puro. o magnésio é considerado o material de melhor usinabilidade entre os materiais apresentados e que as ligas de níquel apresentam a pior usinabilidade.1 Usinabilidade do Alumínio e suas Ligas O alumínio e suas ligas apresentam como principais propriedades a baixa densidade (2700 kgf/m3).3.8 Bronze 2.3 Ligas de níquel 10. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Tabela 13. Por se tratar de materiais de maior utilização na indústria. elevado coeficiente de expansão térmica. segundo o critério potência de corte. pode-se verificar que. Metal Potência relativa Ligas de magnésio 1. Para ligas com teor de Si acima do eutético (Si entre 11 e 14%). 1998). vc = 90 m/min. relação comprimento/diâmetro = 3. No gráfico da Figura 13. em torno de 60 kgf/cm2) As ligas Al-Si têm um campo de aplicação abrangente por reunirem boas propriedades de resistência mecânica. 400 350 Ferramenta 1 350 Ferramenta 2 300 Vida da ferramenta (m) 250 240 210 200 150 123 100 50 40 23 0 AlSi8 AlSi9 AlSi17 Figura 13. A presença do Si faz com que essas ligas apresentem características abrasivas. Outro aspecto importante causado pela presença do Si é a considerável diferença de ductilidade entre as fases. baixa densidade e boa resistência à corrosão.5 Influência do teor de Si na usinabilidade de ligas de alumínio (furação com brocas de metal duro. a presença do silício é determinante. No que diz respeito à usinabilidade.5 é mostrada a influência do teor de Si da liga na vida de ferramentas no processo de furação. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais elevação da força de corte. que fazem com que a aresta postiça de corte mantenha-se estável em amplas faixas de velocidade de corte. diâmetro 8. a dureza pode ultrapassar 400 kgf/cm2 e a temperatura de fusão pode chegar a 1420 ºC. lubrificação por MQF) (Cselle. Outra característica que merece atenção é a sua baixa dureza.5 mm. o que resulta em maiores valores de força e potência de usinagem. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 240 . o que pode abreviar a vida das ferramentas de corte devido ao mecanismo de desgaste por abrasão. f = 0.25 mm/revolução. A dureza somente é um indicador de usinabilidade quando se trata de materiais com a mesma estrutura. Como resultado da presença da aresta postiça de corte em amplas faixas de velocidade de corte pode-se citar a dificuldade de se realizar furação a seco das ligas Al-Si. adicionado aos ferros fundidos com o objetivo de favorecer a precipitação do carbono em forma de grafita. pois o material da ferramenta permite que se trabalhe em altas velocidades de corte. o que facilita a sua ruptura e provoca menor solicitação na ferramenta de corte.3. A grafita presente nos ferros fundidos cinzentos cria descontinuidades no material.5. O silício. normalmente limitada à capacidade da máquina-ferramenta. O bom desempenho das ferramentas de PCD na usinagem de ligas de Al-Si está fortemente relacionado com o controle de obtenção de matéria prima. A usinagem de ligas de alumínio é o maior campo de aplicação das ferramentas de diamante policristalino (PCD). A Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 241 . principalmente as ligas eutéticas e hipereutéticas que apresentam natureza abrasiva. A presença de vazios pode fazer com que a ferramenta seja submetida a choques mecânicos e como conseqüência apresente falha devido à sua baixa tenacidade. 13. No caso do ferro fundido cinzento as lamelas de grafita fazem com que o cavaco gerado seja do tipo descontínuo. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais De acordo com os resultados apresentados na Figura 13. o que elimina problemas relacionados ao controle de cavaco e possibilita que a cunha cortante da ferramenta tenha maior resistência pela adoção de ângulos de saída negativos. pode ter ação abrasiva sobre as ferramentas de corte.2 Usinabilidade dos Ferros Fundidos Os ferros fundidos cinzentos são considerados materiais de usinabilidade relativamente fácil. onde o fluido de corte tem como principal finalidade impedir a adesão do material da peça na superfície de saída das brocas. Outra grande vantagem do PCD na usinagem de ligas de Al-Si é a possibilidade de se trabalhar fora da faixa velocidades de corte em que ocorre a aresta postiça de corte. o aumento da porcentagem de Si na liga tem como resultado a redução da vida das ferramentas de corte. A usinabilidade dos ferros fundidos é relacionada à sua microestrutura e aos elementos de liga. seja por fundição ou por forjamento. A bainita apresenta dureza intermediária e apresenta difícil usinabilidade. Além dos microconstituintes. A forma da grafita tem mais influência na usinabilidade do que a sua proporção. A esteadita ocorre em ferros fundidos com teores de fósforo acima de 0. A perlita é o microconstituinte dos ferros fundidos que apresenta a melhor relação entre usinabilidade e resistência ao desgaste. A presença de carbonetos duros na matriz prejudica a usinabilidade devido à sua ação abrasiva sobre a ferramenta de corte. A presença de silício faz com que a perlita nos ferros fundidos apresente dureza maior que a dos aços. A melhora da usinabilidade pode ser obtida por meio de tratamento de revenimento. que por sua vez. A austenita apresenta baixa dureza e possui usinabilidade comparável à da ferrita. principalmente nos ferros fundidos de matriz ferrítica. favorece a transformação de parte da perlita em ferrita. A presença do fósforo nos ferros fundidos de matriz perlítica. A grafita grosseira é mais benéfica que a grafita interdendrítica (Tipo D). resultado do tratamento térmico de têmpera. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais grafita atua. Sua influência se dá tanto pela quantidade quanto pela espessura das camadas de ferrita e cementita. A martensita. de modo geral. os carbonetos contribuem para a usinabilidade pois facilitam o cisalhamento do material. A presença de ferrita nos ferros fundidos cinzentos. apresenta dureza elevada e difícil usinabilidade. como lubrificante sólido. implica em melhor usinabilidade em relação a outras estruturas. o que reduz a tendência de adesão do material na ferramenta. cujo resultado é uma matriz ferrítica contendo carbonetos esferoidizados. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 242 . O aumento da quantidade relativa de grafita resulta em redução da potência de corte.2% e sua presença é prejudicial á usinabilidade. resulta no surgimento da esteadita. alguns elementos presentes na matriz podem ter grande influência na usinabilidade dos ferros fundidos. ainda. Na forma de camadas em uma estrutura perlítica. Quantidades excessivas de silício podem fazer com que a ferrita apresente comportamento abrasivo. A presença de sulfetos. A presença de areia oriunda dos moldes. O fenômeno ocorre quando a espessura do cavaco é inferior à um valor mínimo. o que resulta em uma estrutura mais homogênea e de melhor usinabilidade. Este problema pode ser controlado pela adição de inoculantes que retardam o resfriamento do metal. causam ainda o aumento das forças de usinagem. Peças com seções finas ou regiões próximas às paredes dos moldes podem acelerar o resfriamento do ferro fundido.05 e 0. Uma maneira de amenizar esse problema é reduzir a velocidade de corte e aumentar o avanço.15% promove uma maior uniformidade da dureza ao longo da seção do material. Os silicatos e os nitretos são compostos de alta dureza e exercem ação abrasiva sobre as ferramentas de corte. o que melhora sua usinabilidade. mesmo em pequenas quantidades. A presença de carbonetos provoca aumento nas forças de usinagem. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais A presença de estanho em quantidades entre 0. O fluxo lateral de material é observado nas proximidades das marcas de avanço. outros fatores podem afetar a usinabilidade dos ferros fundidos. como por exemplo o sulfeto de manganês. o que pode resultar na formação localizada de ferro fundido branco. onde o material sofre deformação plástica no sentido oposto ao do avanço. O cobre é um elemento que apresenta leve ação grafitizante e de inibição à formação de ferrita. da geometria da ferramenta e das condições de corte. Outros fenômenos associados à usinabilidade dos ferros fundidos ocorrem na superfície das peças usinadas. Um desses fenômenos é o fluxo lateral de material (“side flow”). determinado em função do material da peça. Além da estrutura e dos elementos de liga. Os ferros fundidos podem apresentar inclusões de óxidos de elevada dureza como o MgO e Al2O3. Os carbonetos são prejudiciais à vida das ferramentas. O fluxo lateral de material pode ser identificado na Figura Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 243 . é benéfica para a usinabilidade tanto pela sua ação lubrificante quanto pela redução da resistência ao cisalhamento. que além de acelerar o desgaste das ferramentas. aderida na superfície das peças tem ação abrasiva sobre as ferramentas de corte. Sua presença pode ser provocada pela adoção de condições de corte inadequadas. O open grain é caracterizado pela presença de cavidades na superfície usinada. Figura 13. A probabilidade de ocorrência do open grain está relacionada diretamente com o teor de carbono do ferro fundido.7 permite a visualização de uma cavidade que caracteriza o “open grain”. onde é apresentada uma fotografia de microscópio eletrônico de varredura da superfície de um disco de freio de ferro fundido cinzento. ocasionadas pela remoção da grafita e do próprio material durante a usinagem. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais 3. Outro fenômeno que pode ocorrer em superfícies usinadas de ferro fundido cinzento é denominado “open grain”. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 244 . principalmente elevados valores de profundidade de corte.6.6 Superfície usinada de ferro fundido cinzento que identifica a presença do fenômeno no fluxo lateral de cavaco. A fotografia de microscópio eletrônico de varredura da superfície de um disco de freio mostrada na Figura 13. 3 Usinabilidade dos Aços Usinabilidade dos aços-carbono e aços-liga A usinabilidade dos aços é um assunto difícil de ser tratado de forma generalizada. devido à grande variedade desse grupo de materiais. de difícil usinagem.6% C.3.3 ≤ %C ≤ 0. Os aços são divididos em dois grandes grupos: os aços comuns ao carbono e os aços liga.6.6 Superfície usinada de ferro fundido cinzento com presença de uma cavidade que caracteriza o fenômeno do “open grain”. 13. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 245 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Figura 13. até os aços ferramenta. Os aços de baixo carbono apresentam como constituinte básico a ferrita. • Aços de alto carbono: > 0. Os aços carbono são classificados em: • Aços e baixo carbono: < 0.3% C. 1989) e cuja micorestrutura é mostrada na Figura 13. com durezas entre 135 a 185 HV (Metals Handbook. de fácil usinabilidade. • Aços de médio carbono: 0. que contem desde os aços de livre corte.7. 7. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 246 . A dureza da perlita depende da espessura das lamelas de ferrita e cementita (235 HV – perlita grosseira. dependendo do teor de carbono e da morfologia. que pode ser reduzida pelo tratamento de revenimento.8 são apresentadas fotomicrografias das microestruturas Austenítica. Todas as microestruturas listadas anteriormente ocorrem quando o aço passa por um processo de resfriamento lento. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Figura 13.77% de C apresentam em sua microestrutura perlita e cementita. Bainítica e Martensítica. A microestrutura dos aços de médio carbono apresenta perlita e cementita. A bainita é uma estrutura acicular com dureza variando de 450 a 700 HV. 1994) O aumento do teor de carbono faz com que aumente a porcentagem de perlita da microestrutura. Na figura 13. Os aços de alto carbono com mais de 0.aumento 90X (Callister. 350 HV perlita fina). A martensita apresenta dureza superior a 840 HV. Por meio de tratamentos térmicos pode-se obter as estruturas bainíticas e martensíticas. Fotomicrografia da ferrita . Ferrítica. Os tratamentos térmicos para obtenção das microestruturas apresentadas na Figura 13. Tempo. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 247 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Austenita Perlita Martensita Bainita Figura 13. tempo de resfriamento e a microestrutura resultante. Microestruturas obteníveis em aços de médio e alto carbono. As curvas “TTT” representam a relação entre a temperatura.8. como a mostrada na Figura 3.8 podem ser representados pelas curvas “TTT” (Transformação. Temperatura). a microestrutura obtida é a Martensita.10 B representa o tratamento térmico para obtenção da Bainita.lu. A figura 4C apresenta a curva de resfriamento típica para a obtenção da Perlita. Caso o resfriamento seja rápido.10 A. tempo e temperatura típica. no qual a temperatura sofre queda brusca até abaixo do “cotovelo” da curva TTT.edu/depts/ met/met205/tttdiagram. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 248 . Finalmente. a Figura 13.10 são apresentadas as curvas de resfriamento características dos tratamentos térmicos para obtenção das diferentes microestruturas. como mostrado na Figura 13.farmingdale. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Figura 13. Curva de transformação. page: info.html Na figura 13.10 D representa uma curva de resfriamento cuja microestrutura final é 50% Perlita e 50% Martensita. A Figura 13. seguido de resfriamento lento.9. Além dos tratamentos térmicos. as propriedades dos aços podem também ser modificadas por meio de adição de elementos de liga. formando carbonetos.10. mais deslocadas para a direita são as curvas “TTT” características. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais A B C D Figura 13. o que significa que o material maior facilidade de ter sua microestrutura transformada. Curvas de resfriamento típicas dos diferentes tipos de tratamento térmico. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 249 . As microestruturas apresentadas até então são possíveis de se obter em aços de médio e alto carbono. o que implica no aumento da dureza e da resistência dos aços. A maioria dos elementos de liga dissolve-se na ferrita e/ou combina-se com o Carbono. Quanto mais elevado é o teor de carbono do aço. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Elementos como o Si. Mecanismos de desgaste das ferramentas de corte. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 250 . A presença de elementos de liga favorece também a temperabilidade dos aços (aumento da espessura da camada temperada). . W. Figura 13.12. P. Cr.11. as diferentes formas (Figura 13. Ni e Cu dissolvem-se na ferrita. V e o Ti além de dissolverem-se na ferrita combinam com o Carbono. Além da diversidade de composições químicas e de microestruturas. Formas de desgaste apresentadas pelas ferramentas de corte.12) apresentados pelas ferramentas de corte contribuem para aumentar ainda mais a complexidade do estudo da usinabilidade dos aços.11) e mecanismos de desgaste (Figura 13. O Mn. o que resulta em aumento da dureza e da resistência ao desgaste dos aços. dando origem a carbonetos simples e complexos. Mo. "Attrition" Figura 13. N. Essa influência pode ser explicada pelo fato de a maioria dos elementos de liga formar carbonetos e promovem o aumento da dureza e da resistência mecânica. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 251 . Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais As características de usinabilidade estão muito relacionadas ao processo de fabricação dos aços. • Ductilidade. O aumento da porcentagem dos elementos de liga promove o aumento da diferença de usinabilidade em relação aos aços carbono com o mesmo teor de carbono. promovem o aumento da temperabilidade dos aços. Toda a complexidade relacionada à usinabilidade dos aços não impede que sejam feitas considerações sobre os principais fatores que influenciam a sua usinabilidade. A seguir é apresentada uma tentativa de se avaliar a influência isolada de cada fator na usinabilidade desses materiais. • Microestrutura. Com base no cenário apresentado até aqui. o que implica na possibilidade de ocorrer variações de desempenho na usinagem de lotes diferentes de um mesmo material. o que caracteriza o seu comportamento sistêmico. • Limite de resistência. As principais propriedades que afetam a usinabilidade dos aços são: • Dureza. pode-se concluir que a usinabilidade dos aços-carbono e aços-liga é influenciado por uma grande quantidade de variáveis. a vida das ferramentas de corte na usinagem dos aços liga são inferiores quando comparadas à usinagem de aços-carbono com porcentagem de carbono equivalentes. Mesmo os elementos que permanecem dissolvidos na ferrita. Essas propriedades são controladas pela: • Composição química. Via de regra. definidas em função da: • Microestrutura. Apesar disso algumas características comuns são consideradas no estudo da usinabilidade desses materiais. As características de usinabilidade dos aços inoxidáveis refletem a grande variedade de ligas classificadas como aços inoxidáveis. Os valores de condutividade térmica de dois aços inoxidáveis e de um aço carbono são apresentados na Figura 13. • Faixa de propriedades. quais sejam: • Elevado limite de resistência.13. • Elevada ductilidade e tenacidade. • Elevada diferença entre os limites de escoamento e de resistência. • Baixa condutividade térmica. com o objetivo de promover o aumento da resistência à oxidação. • Elementos de liga. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Usinabilidade dos aços inoxidáveis Os aços inoxidáveis apresentam como característica comum a presença de no mínimo 11% de Cr. a usinabilidade dos aços inoxidáveis varia de muito alta até muito baixa. Em outras palavras. A diferença entre os limites de escoamento e de resistência entre três tipos de aço é apresentada na Figura 13.14. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 252 . Esse grupo de materiais é dividido em várias famílias. aço inoxidável austenítico aço inoxidável ferrítico aço carbono 0 10 20 30 40 50 Condutividade Térmica (W/m. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais 160 140 Aço inoxidável austenítico 120 Tensão MPa 100 800 600 400 Aço inoxidável austenítico 200 Aço -carbono 0 0 20 40 % de redução da área Figura 133. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 253 .14.12. • Necessidade de quebra-cavacos ou de geometrias de ferramenta que permitam obter cavacos mais enrolados. • Velocidades de corte mais baixas. os aços inoxidáveis apresentam as seguintes diferenças: • Maior potência específica de corte. • Cuidados especiais com refrigeração e lubrificação. Condutividade térmica de diferentes tipos de aços. Em relação aos aços-carbono.K) Figura 13. Comparação entre os limites de escoamento e de resistência de diferentes tipos de aço. • Ângulos de saída maiores.. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Classificação dos Aços Inoxidáveis Os aços inoxidáveis são divididos em cinco famílias: 4 delas baseadas na microestrutura: • Aços inoxidáveis ferríticos: limite de resistência entre 275 e 350 MPa; • Aços inoxidáveis martensíticos: limite de resistência acima de 1900 MPa; • Aços inoxidáveis austeníticos: limite de resistência em torno de 500MPa; 5a. família baseada no tratamento térmico, conhecidas como ligas endurecíveis por precipitação. As imagens de precipitados na estrutura dos aços são apresentadas na Figura 13.15. Nb (C,N) precipitates from a high strength low alloy steel. At a diameter of 12nm these precipitates are only resolvable in the TEM. Nb (C,N) precipitation is important in thin slab casting since it strongly affects crack susceptibility during straightening. Figura 13.15. Imagem de microscópio eletrônico de transmissão na qual são identificados precipitados de carbonitreto de Nióbio. Além das cinco famílias apresentadas, podem ainda ser distintos os aços inoxidáveis de livre corte. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 254 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Os aços inoxidáveis ferríticos são utilizados na fabricação desde utensílios domésticos até componentes de motores a jato. Essa família de aços apresenta de 15 a20% de Cr em sua composição e baixa porcentagem de Carbono. Os aços inoxidáveis marteníticos apresentam em torno de 18% de Cr e porcentagem de carbono mais elevada, que garante a sua temperabilidade. São utilizados em aplicações em que, além da resistência à oxidação, exige-se elevada resistência mecânica, resistência ao desgaste e resistência à fadiga, como por exemplo facas e instrumentos cirúrgicos. São os aços inoxidáveis que apresentam menor resistência à corrosão. Os aços inoxidáveis austeníticos apresentam teor de Cromo entre 16 e 26% e de níquel entre 6 e 22%. A porcentagem máxima de Carbono admitida é de 0,25% pois em quantidades maiores ocorre a formação de carbonetos de Cromo, o que reduz a resistência à oxidação do material. O Ni, que é adicionado com o objetivo de aumentar a resistência à oxidação da liga, é responsável pela estabilização da fase γ do Ferro. Os aços inoxidáveis austeníticos são utilizados em aplicações que requerem elevada resistência à oxidação, como por exemplo equipamentos de processos químicos. As dificuldades específicas de usinagem dos aços inoxidáveis são relacionadas aos aços austeníticos. Comparados aos aços ferríticos e martensíticos os aços austeníticos apresentam: • Taxa de endurecimento mais elevada; • Grande diferença entre o limite de escoamento e o limite de resistência; Os problemas específicos dos aços inoxidáveis austeníticos usinabilidade como: • Aderência na ferramenta: o cavaco aderido ao quebrar-se pode levar consigo fragmentos da ferramenta (principalmente as de metal duro); • As forças de usinagem não apresentam grandes diferenças em relação às verificadas na usinagem de aços carbono ou aços liga, desde que as ferramentas tenham ângulos de saída relativamente grandes; • Os aços inoxidáveis austeníticos possuem tendência de endurecimento a temperaturas elevadas, devido ao Ni e ao Cr. Como ocorrem temperaturas Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 255 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais elevadas na zona de fluxo, há forte tendência de formação de desgaste de cratera, ativados pelos mecanismos de difusão e cisalhamento superficial; • Grande tendência de endurecimento por precipitação, o que provoca endurecimento da camada previamente usinada; Vários fatores podem ser mais pronunciados na usinagem de aços austeníticos, principalmente os sem elementos de livre corte. • Ferramentas mais aquecidas, com maior tendência de formação de arestas postiças de corte grandes; • Cavacos com tendência de assumir a configuração em forma de emaranhado, o que dificulta a remoção; • Ocorrência de “chatter” (marcas de vibração na peça), devido ao uso de ferramentas ou suportes inadequados; • As superfícies geradas apresentam tendência de endurecimento por deformação, o que é particularmente prejudicial aos cortes interrompidos ou com pequenos avanços; A adição de elementos de livre corte contribui para melhorar o acabamento da superfície usinada. A adição de Mn e Cu melhora a usinabilidade pela redução da capacidade de endurecimento a frio. O aumento da quantidade desses elementos promove a redução da capacidade de endurecimento a frio sem contudo melhorar a usinabilidade. O aumento das porcentagens de Carbono e de Níquel promove aumento da dureza do material deformado. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 256 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Usinabilidade de aços endurecidos O estudo da usinabilidade dos aços endurecidos teve início com o surgimento das cerâmicas e do PCBN, associado ao desenvolvimento de máquinas-ferramenta rígidas e com elevada capacidade de rotação. Um dos resultados mais expressivos obtidos no estudo na investigação da usinabilidade dos aços endurecidos é o torneamento duro, que em muitas aplicações substitui o processo de retificação com várias vantagens, entre as quais (Tönshoff, 1995 e Klocke, 19995): • Possibilidade de se eliminar etapas de fabricação; • Maior produtividade; • Máquinas-ferramenta mais simples e de menor custo; • Possibilidade de se executar operações múltiplas em uma só fixação da peça; • Flexibilização do processo; • Redução dos custos das ferramentas; • Geração de uma superfície da peça menos afetada pelo calor. As ferramentas de corte para a usinagem dos aços endurecidos devem apresentar os seguintes requisitos: • Dureza a temperatura ambiente e a quente; • Elevada resistência à ruptura; • Elevada tenacidade à fratura; • Elevada resistência à compressão; • Elevada resistência ao choque térmico; • Elevada inércia química; As ferramentas de PCBN apresentam grande parte desses requisitos, sendo observada inclusive a tendência de aumento da vida da ferramenta com o aumento da velocidade de corte. Um dos problemas típicos da usinabilidade dos aços endurecidos está relacionado à integridade superficial das peças usinadas. Observa-se a modificação da superfície Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 257 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais devido à ação termomecânica intensa, concentrada e rápida da ferramenta de corte. As alterações das superfícies ocorrem devido a transformações metalúrgicas e, eventualmente, interações químicas. Nos aços endurecidos, a alteração microestrutural mais freqüente é a formação da camada branca (Figura 13.16), que recebe essa denominação devido ao fato de não ser atacada quimicamente pelos reagentes tradicionais. A camada branca apresenta elevada dureza (freqüentemente mais elevada que a do substrato). O aumento do desgaste das ferramentas tende a aumentar a espessura da camada branca. Figura 13.16. Exemplo de alteração da micorestrutura da superfície torneada do aço AISI 52100 (a), comparada à microestrutura do material base (b). Figura 13.17. Influência da velocidade de corte e corte e do desgaste de flanco. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 258 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais Segundo Tönshoff et al. roscas e outras configurações mais complexas. via de regra. As características que dificultam a usinabilidade desses materiais é influenciada pela porosidade. de modo que operações posteriores de usinagem são frequentemente necessárias. porém. não caracterizando a ocorrência de reações químicas durante a formação da camada branca. pior que a dos materiais obtidos por outros processos. processo de usinagem e condições de corte utilizadas. • Adição de elementos de livre corte ao material sinterizado. Usinabilidade de aços obtidos pela metalurgia do pó A metalurgia do pó é um processo de obtenção de materiais com geometria próxima da geometria final da peça (processo near net shape). A usinabilidade dos materiais sinterizados é. propriedades do material da peça e da ferramenta. de modo ela chegue a valores superiores a 92% da densidade teórica do material. a camada branca é composta predominantemente por austenita retida. não é capaz de gerar furos transversais. o que favorece a usinabilidade mas é maléfica no que diz respeito à tolerâncias dimensionais e acabamento superficial. O processo. • Usinagem na condição de pré-sinterização. Resultados de análise química indicaram que não houve variação de composição química ao longo de sua espessura. elevam a densidade das peças produzidas. A usinabilidade dos materiais sinterizados pode ser melhorada se forem observados os seguintes aspectos: • Utilização de processos de sinterização que permitam a redução da quantidade de vazios e. com isso.. • Realização de testes de usinabilidade. A porosidade dos materiais sinterizados tem como efeitos a descontinuidade no contato entre a ferramenta e a peça e redução da condutividade térmica do material Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 259 . o que justifica o estudo da usinabilidade de materiais obtidos pela metalurgia do pó. com o objetivo de reduzir ou até dispensar operações subseqüentes. 20.50 0.19 Evolução do desgaste das primeiras ferramentas utilizadas em uma barra de mandrilar Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 260 .19 e 13. A usinagem desse material apresenta peculiaridades como a mostrada nas Figuras 13.2 1 m m /rev) 0.50 0.18 Parte de um mancal fabricado pelo processo de sinterização de uma liga Fe-C- Cu.00 0.3 3 m m /rev) (f=0 .0 5 0.00 30 60 1 00 150 200 2 50 nº de pe ça s produz ida s Figura 13. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais da peça.20 0. onde pode-se observar que o aumento do avanço foi resultou em retardo na evolução do desgaste de flanco das ferramentas. Na Figura 13. obtida pela sinterização de uma liga Fe-C-Cu e submetida ao processo de mandrilamento.20 0 .20 0.30 V B B m áx 0.15 0.27 m m /rev) (f=0. características que dificultam a usinabilidade pela variação da força entre peça e a ferramenta e pela concentração de calor na interface cavaco-ferramenta.18 é mostrada uma peça de um mancal de motor de combustão interna.40 (m m ) 0. Entalhe Figura 13. (f=0 .30 0.13 0.10 0 .10 0.17 0.20 0.20 0.60 0. 20 0. Segundo eles.15 0. o aumento do avanço e consequente da temperatura na interface cavaco-ferramenta.20 0. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 261 .10 0.20 30 60 100 150 200 250 nº d e p e ças p r o du z id as Figura 13.15 0.00 0.30 0.15 0.03 0.07 0.20 foi descrito por Conceição António e Davim (2002).21.19 e 13.20 é mostrado na Figura 13. em que o aumento do avanço melhorou a vida das ferramentas.20 0.07 0.1 8 m m /rev) 0. com elevado percentual de vazios e alcança-se o denominado por eles.20 Evolução do desgaste das segundas ferramentas utilizadas em uma barra de mandrilar O posicionamento das primeiras e segundas ferramentas citadas nas Figuras 13.60 0.10 0. facilita a usinagem destes materiais obtidos pela metalurgia do pó.70 0.50 0.26 m m /rev) (f=0.40 V BBmáx (mm) 0.15 0.05 -0.10 -0. O comportamento mostrado nas Figura 13.80 0.70 0.05 0. Primeiras Segundas Ferramentas Ferramentas Figura 13.10 0.10 0.03 0. tear-point da liga.22 m m /rev) (f=0.21 Posicionamento das ferramentas na barra de mandrilar.40 0. Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Usinabilidade dos Metais (f=0.19 e 13. S. and DEVRIES. 21-30. N0. 34-44 Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 262 . pp.. vol. and SHAW. J. Tools Manufact. MARSHALL. 2. Transactions of ASME. H. Int.M. M. IEEE Trans. 61. 1990b. Tools Manufact. 1995. 217-227. 916-926. New Thrusts”. W.. F.C. pp. On Ultrasonics. 74. • BACKER. E. • BATZER. and SUTHERLAND. Comparasion of Experimental and Analytical Twist Drill Temperature Distributions”.. "The Dry Cure for Coolant Ills". J. and Frequency Control. 30. Environmental Controls and the Availability of Raw Materials on New Cutting and Grinding Fluids”.. J.R. Vol. 1974. P.. M. 30. • BALLATO. 42.pp. J. PANDEY. “The Influence of Safety. Wear. S. ASTM. 1990a. G. “Piezoelectricity: Old Effect. 5. F. “On the Determination of Thermal Phenomena During Drilling . 1952.. • ASTM D3233. S. june. pp. Analytical models of Twist Drill Temperature Distributions”. pp. • BARKER. M. A. 61-72. 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