USINAGEM. Aula 4. materiais de ferramenta: HSS, MD, cerâmicas, diamante, CBN

Transcrição

1

2

3

4 Desgaste de flanco máximo VB [mm] Materiais de ferramentas aço-rápido HS S Metal duro cerâmic as metal-duro cerâmica CBN CBN diamante PKD Gk-AlSi12(Cu); vc = 2500 m/min vf = 9 m/min Comprimento de corte (l) [mm]

5

6

7

8 Desenvolvido por Taylor e apresentado publicamente em 1900 na Exposição Mundial de Paris USINAGEM Aço rápido Composição o aço rápido é um aço alta liga com microestrutura martensítica com inclusões de carbonetos. Os principais elementos de liga dos aços rápidos são tungstênio (W), cromo (Cr), vanádio (V), cobalto (Co) e nióbio (Nb). Pequena quantidade de manganês para evitar fragilidade. Em 1942 devido a escassez de tungstênio provocada pela guerra, este foi substituído pelo molibdênio. Características temperatura limite de 520 a 600 o C; maior resistência à abrasão em relação ao aço-ferrameta; preço elevado; tratamento térmico complexo.

9

10

11

12

13

14

15 Tipos de desgaste difusão deformação plástica do gume abrasão

16 critérios para a determinação de usinabilidade critério vida da ferramenta F (material da peça, material da Log T ferramenta, dos parâmetros de corte). T= v ck. C v Log vc Onde: T= vida da ferramenta (min); v c = velocidade de corte(m/min); C v = vida para v c = 1m/min (constante); k = coeficiente angular da curva de vida.

17 critérios para a determinação de usinabilidade critério vida da ferramenta Ensaio de torneamento de curta duração Corte a seco não interrompido; Condições de corte pré-determinadas; Velocidade de corte varia continuamente até a destruição do gume; Aumento da velocidade de corte na ordem de 5 m/min; Comprimento de corte de 25 m; Velocidade de corte leva a vidas de 120 a 170 m; Ensaios replicados 5 vezes; Identificação da velocidade média de desgaste hiperproporcional; Ideal para supervisão de material; Inadequado para ferramentas de metal duro e cerâmica

18 critérios para a determinação de usinabilidade critério vida da ferramenta Ensaio de medição do percurso total da ferramenta temperatura é critério de fim de vida; Altas velocidades de corte; Mede-se o percurso até a destruição do gume; Número característico de velocidade de corte para vida de 100 m;

19 critérios para a determinação de usinabilidade critério vida da ferramenta Determinação de grandezas de desgaste Lupas: aumento de 8 a 10X, baixo custo e medição na máquina, incerteza de medição; Microscópio de ferramentaria: aumento de 60X; boa reprodutibilidade, aumento de precisão, localização fixa; Rugosímetro: medição de desgaste de cratera; MEV: ampliações de X, visualização tridimensional, devem ser condutores de eletrecidade, analisa composição química;

20

21 Quadro Comparativo de Propriedades

22 Evolução das Velocidades de Corte

23

24 Metal duro 1. Elevada dureza; 2. Elevada resistência à compressão; 3. Elevada resistência ao desgaste; 4. Possibilidade de obter propriedades distintas nos metais duros pela mudança específica dos carbonetos e das proporções do ligante. 5 Controle sobre a distribuição da estrutura

25 Metal duro - Composição carbonetos de tungstênio (WC):dureza a qte cobalto: ligante TiC (Carbonetos de Titânio): pouca tendência à difusão; redução da resistência interna e dos cantos. TaC (Carbonetos de Tântalo) e NbC (Carboneto de Nióbio): pequenas quantidades diminuição do tamanho dos grãos, melhorando a tenacidade e a resistência dos cantos.

26 Metal duro - Fabricação USINAGEM Fabricação do pó Prensagem Sinterização

27 Metal duro - Fabricação USINAGEM Retífica Tratamento dos gumes Cobertura Gravação e etiquetagem

28 Metais duros convencionais são classificados em grupos P, M e K, conforme composição química, propriedades e campos de aplicação (Norma DIN 4990) Grupo P: alta resistência a quente; pequeno desgaste abrasivo, usinagem de cavacos longos Grupo M: média resistência a quente e a abrasão Grupo K: pouca resistência a quente, alta resistência ao desgaste, praticamente somente WC e Co Grupos são divididos ainda com relação à resitência à tenacidade e ao desgaste.

29 Nos metais-duros, consegue-se significativamente aumentar tanto a dureza do material quanto a tensão de escoamento transversal, com a diminuição do tamanho de grão do carboneto de tungstênio WC

30 Influência da temperatura na dureza dos substratos e revestimentos

31 Metal duro com revestimento simples: TiC: baixo coeficiente de atrito, menor difusão, menos adesão e soldas a frio, menores forças de avanço e passiva; alta dureza, baixo coeficiente de dilatação térmica; TiN: alta força de ligação interna, estável quimicamente, pouca difusão, pouco desgaste de cratera; Al 2 O 3 : alta dureza (frágil), alta resistência a quente, alta resistência química, baixa resistência a oscilações de temperaturas; Revestimentos múltiplos: deposição de 10 camadas com combinação das propriedades

32 Cermets (CERâmica/METal) metal duro à base de titânio Característica - baixa tendência a formação de gume postiço; - boa resistência a corrosão; - boa resistência ao desgaste; - resistência a temperatura elevada; - alta estabilidade química;

33 Physical Vapour Deposition. USINAGEM PVD Deposição em vácuo onde, primeiramente, um material é transformado em vapor, então é transportado nessa fase e por último é depositado na superfície de um substrato. Deposição de ligas, multi-camadas, nanocamadas e camadas com gradiente de composição. A técnica consiste basicamente na aplicação de uma voltagem negativa (bias) nos substratos. A forma através da qual o material é transformado para a fase vapor é o principal ponto de distinção dos processos. Vaporização a vácuo; Sputtering Ionplating

34

35 CVD Chemical Vapour Deposition

36 Identificação de Materiais e Geometrias de Ferramentas Matriz de testes de ferramentas para escolha do material de ferramentas Material da ferramenta Metal-duro classe P25 (micro-grão) Metal-duro classe K03 (micro-grão) Cermet WSP1 CBN 25% pureza CBN 99% pureza Tipo de revestimento TiAlCN TiAlCN TiCN TiAlCN TiAlCN

37 0,100 0,075 0,050 0,025 0,000 Desgaste de flanco máximo (VB max ) [mm] Comprimento usinado (L) [mm] CBN 99,8% (vc= 450 m/min) CBN 99,8% (vc= 950 m/min) CBN 25% (vc= 450 m/min) Material: DIN Dureza: 52 HRC Ferramenta: topo toroidal diâmetro: 15 mm raio da pastilha: 3,5 mm Tecnologia: corte concordante/periférico rampa 75 a n : 0,3 mm a et : 0,3 mm : 0,05 mm f z

38 v c = 450 m/min início fim v c = 950 m/min início fim

39 Ensaios com Metal-Duro e Cermet Comprimento usinado (L) [m] Velocidade de corte (v c ) [m/min] Material: DIN Dureza: 52 HRC Ferramenta: topo toroidal diâmetro: 15 mm raio da pastilha: 3,5 mm Tecnologia: corte concordante/periférico rampa 75 a n : 0,3 mm : 0,3 mm a et K03 (f z = 0,075 mm) K03 (f z = 0,1 mm) K03 (f z = 0,2 mm) P25 (f z = 0,075 mm) Cermet (f z = 0,075 mm)

40 Ensaios com Metal-Duro e Cermet 5 mm 5000 x 5 mm 5000 x 5 mm 5000 x P25 Cermet K03

41 Tamanho dos micro-grãos da classe K03 (aumento de x MEV) mm x

42 Resultados com Tamanho dos micro-grãos da classe K03 0,10 0,08 0,05 0, Desgaste de flanco máximo (VB max ) [mm] Comprimento usinado (L) [m] Ferramenta 1 Ferramenta 2 Ferramenta 3 Material: DIN Dureza: 52 HRC Ferramenta: topo esférico diâmetro: 6 mm comprimento: 156 mm Tecnologia: corte concordante/periférico rampa 75 a n : 0,3 mm a et : 0,3 mm f z : 0,1 mm : 250 m/min v c

43 Otimização da Taxa de Remoção de Volume d 1 [mm] Chanfro [mm] l 2 [mm] l 1 [mm] d 2 [mm] z revestimento 16 0,15-0, TiAlCN Condição v c (m/min) f z (mm) L (m) V (cm 3 ) Q (cm 3 /h) t (min) , , , ,075 20* 240 X X ,075 10* 120 X X

44 M aterial: DIN Dureza: 52 HRC Ferramenta: topo reto diâmetro: 16 mm no. de dentes: 4 Tecnologia: corte concordante a e : 1,5 mm a p : 8 mm 0 L (m) V (cm3) Q (cm3/h) t (min) Condição 1 Condição 2 Condição 3 Condição 4 Condição 5

45 d 1 [mm] l 2 [mm] l 1 [mm] z revestimento TiAlCN Condição v c (m/min) f z (mm) v f (mm) z L (m) V (cm 3 ) Q (cm 3 /h) t (min) , , ,05 477, , ,

46 L (m) V (cm3) Q (cm3/h) t (min) M aterial: DIN Dureza: 52 HRC Ferramenta: topo reto diâmetro: 16 mm no. de dentes: condição 3: 4 condição 6 e 7: 6 Tecnologia: corte concordante a e : 1,5 mm a p : 8 mm Condição 3 Condição 6 Condição 7

47 Resultados das condições ensaiadas e desgaste ao longo do gume para a condição 7

48 Identificação de Materiais e Geometrias de Ferramentas Conclusões 1. recomenda-se o uso de metal-duro da classe K03 com micro-grãos; 2. Quanto mais fino o tamanho de grão, maior a tenacidade e resistência ao desgaste do gume; 3. os altos desempenhos das ferramentas de metal-duro, associados ao baixo custo, justificam a não utilização das ferramentas de CBN em 3 eixos. 4. Todavia, as ferramentas de CBN de alta pureza e chanfro de 20,5 apresentaram um alto desempenho; 5. recomenda-se o uso de ferramentas de topo reto, multi-cortantes (6 dentes), com ângulo de hélice (l) elevado (17 ), de modo que ocorra a sobreposição dos gumes, diminuindo o gradiente de esforços ao longo do corte e com canais rasos, aumentando a estabilidade da ferramenta de corte

49 Cerâmicas

50

51

52

53

54 Cerâmica a base de nitreto de silício Característica: melhor resistência ao choque; considerável dureza a quente; é excelente para usinar ferro fundido cinzento a seco; Os insertos são obtidos através de prensagem de alta pressão a frio seguida de sinterização, ou mais alternativamente, através de pressão a quente.

55

56 Característica: mais estáveis que o diamante, especialmente contra a oxidação; dureza elevada; alta resistência à quente; resistência ao desgaste; quebradiço; alto custo; excelente qualidade superficial da peça usinada; envolve elevada força de corte devido à geometria de corte negativa, alta fricção durante a usinagem. Usinagem de aços duros; de desbaste e de acabamento; cortes severos e interrompidos; CBN Os cristais de boro cúbico são ligados por cerâmica ou ligante metálico, através de altas pressões e temperatura. As partículas orientadas a esmo, conferem uma densa estrutura policristalina similar a do diamante sintético.

57 4 direções principais de clivagem Classificação dos diamantes USINAGEM Diamante Diamante policristalino: diamante sintético. A camada de diamante policristalino é produzida pela sinterização das partículas de diamante com cobalto num processo de alta pressão (600 à 700MPa) e alta temperatura (1400 à 2000 C). A camada de aproximadamente 0,5mm de espessura, ou é aplicada diretamente sobre uma pastilha de MD pré sinterizada, ou então é ligada ao metal duro através de uma fina camada intermediária de um metal de baixo ponto de fusão. Diamantes negros: são amorfos, quando aquecidos perdem a sua dureza. ferramentas para retificar rebolos, pontas de brocas para minas. Bolos: são diamantes claros, de crescimento irregular, são redondos, não encontram aplicação como ferramentas utilizadas na usinagem. Bort:(usado na usinagem de ultra precisão), especialmente o africano, monocristalino. Anisotropia, suas propriedades variam com a direção.

58 Monocristalino USINAGEM Diamante Diamante é carbono cristalizado na estrutura CCC enquanto grafita na HC São os materiais que apresentam maior dureza. Empregados: usinagem de ligas de metais, latão, bronze, borracha, vidro, plástico, etc. Usinagen fina, pois é o único material para ferramenta de corte que permite graus de afiação do gume até quase o nível de um raio atômico (50 nm) de carbono e furação de poços de petróleo - Velocidade de corte permitida: 100 a 3000m/min; - Avanço: 0,002 a 0,06 mm; - Profundidade de corte: 0,01 a 1,0 mm; Limitação: materiais ferrosos devido à afinidade do C com o ferro; processos com temperaturas acima de 900 C devido à grafitização do diamante. Diamante Policristalino - Material sintético obtido em condições de extrema pressão e temperatura; mais homogênio; usinagem de materiais não ferrosos e sintéticos;.