ESTUDOS DO TEMPO DE VIDA DE FRESAS DE TOPO INTERCAMBIAVÉIS DE METAL DURO NO FACEAMENTO DE AÇO INOXIDÁVEL 15-5 PH

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1 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7 th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING 15 a 19 de abril de 2013 Penedo, Itatiaia RJ - Brasil April 15 th to 19 th, 2013 Penedo, Itatiaia RJ Brazil ESTUDOS DO TEMPO DE VIDA DE FRESAS DE TOPO INTERCAMBIAVÉIS DE METAL DURO NO FACEAMENTO DE AÇO INOXIDÁVEL 15-5 PH Código do Trabalho : COBEF Resumo: Na indústria metal mecânica, a redução de custos é fator fundamental para competitividade e sua permanência no mercado cada vez mais concorrente. Em um processo de fabricação, a vida útil da ferramenta juntamente com o tempo gasto para acertos quando a mesma é substituída pode representar grande parcela do custo total do produto. Assim, a redução destes custos é de fundamental importância para o processo. Quando se utiliza ferramentas de metal duro com coberturas, ou qualquer ferramenta com geometria definida, o desgaste mais comum que determina sua vida é o desgaste de flanco (V B ). Este desgaste cresce lentamente devido a alta resistência ao desgaste das camadas de coberturas até atingir valores da ordem de 0,3 a 0,4 mm. No entanto, depois deste estágio, a cobertura esta normalmente consumida e não tem mais efeito. O corte do material passa a ser feito pelo substrato e o desgaste pode crescer muito rapidamente, chegando a valores de 0,8 a 1,0 mm em um curto período de tempo. O objetivo deste trabalho é apresentar estudos da vida de ferramentas de metal duro em fresas de topo intercambiáveis, com pastilhas redondas, no faceamento da liga inoxidável 15-5 PH. A escolha deste material para análise advém dos poucos estudos publicados na área acadêmica a respeito do mesmo e a importância que ele possui na indústria, sobretudo na aeroespacial, pois existem muitas aplicações neste campo industrial, devido a sua resistência e propriedades mecânicas específicas. O estudo consistiu em testes em que se variou a velocidade de corte (v c ) e avanço por dente (fz). As velocidades de corte utilizadas foram 140, 170 e 195 m/min, o fz 0,15 e 0,25 mm/dente. Sabe-se que a v c possui influência direta sobre o tempo de vida da ferramenta, o que foi constatado pelos ensaios, no entanto, o estudo se tornou mais abrangente à medida que se comparou o tempo de vida da ferramenta, com área e volume de cavaco removido. Palavras-chave: vida de ferramenta, aço inoxidável 15-5 PH, fresas de topo intercambiáveis e velocidade de corte 1. INTRODUÇÃO Este trabalho procura apresentar um estudo do tempo de vida de fresas de topo intercambiáveis com pastilhas redondas de metal duro no fresamento por faceamento de aço inoxidável 15-5 PH. O estudo da vida da ferramenta de corte no fresamento do material usinado torna-se relevante na medida em que o aço inoxidável aeronáutico 15-5 PH é um dos novos materiais que ainda apresentam poucos estudos e informações disponíveis. No entanto, vem ganhando mercado devido a sua elevada resistência e dureza além da excelente resistência a corrosão, sem deixar de citar a grande gama de propriedades que se pode obter pelo tratamento térmico de envelhecimento por precipitação, com pequenas variações no tempo e temperatura de tratamento, Zanuto (2012). O trabalho tem por objetivo propor uma análise, em que se variaram parâmetros de corte, descritos no próximo capítulo, e averiguaram-se os reflexos diretos na vida útil da ferramenta que, juntamente com o tempo gasto para acertos quando a mesma é substituída pode representar grande parcela do custo total do produto. Como metodologia utilizou-se a pesquisa bibliográfica para os fundamentos dos estudos e toda a análise dos desgastes das ferramentas averiguadas com a microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e uma análise química por EDS, técnica a qual nos propicia caracterizar os tipos de desgaste que ocasionou o fim da vida da ferramenta de corte. O trabalho tem o intuito de propor uma contribuição dos melhores parâmetros de corte, comparando-os através de ensaios, para serem usados quando se usina este material relativamente novo, e de grande importância, mas com poucos estudos acadêmicos sobre a usinagem do mesmo.

2 Por fim, destaca-se a importância de iniciativas como deste trabalho, que descreve uma experiência de usinagem com ferramentas de metal duro em fresa de topo intercambiáveis, com pastilhas redondas, no faceamento da liga inoxidável 15-5 PH cujo intuito é também gerar subsídios para discussões futuras, ampliando as formas de utilização de ferramentas de corte, viabilizando o prolongamento da vida útil das mesmas e a diminuição de custos finais em um processo de fabricação. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O aço inoxidável 15-5 PH, utilizado nos ensaios é a versão sem ferrita do 17-4 PH de acordo com o fabricante AK Steel (2011). Este aço apresenta como principais elementos de liga em sua composição o cromo (15% em massa) e o níquel (5% em massa), o que lhe dá o código 15-5, além de poder passar pelo tratamento térmico de endurecimento por precipitação, o que lhe dá o código PH. A Tabela (1) apresenta a composição química deste aço inoxidável segundo seu fabricante. Tabela 1. Composição química do aço inoxidável aeronáutico 15-5 PH, AK STEEL (2011). Elemento % (em massa) Carbono 0,07 máx. Manganês 1,0 máx. Fósforo 0,04 máx. Enxofre 0,03 máx. Silício 1,0 máx. Cromo 14,0 15,5 Níquel 3,5 5,5 Cobre 2,5 4,5 Nióbio + Tântalo 0,15 0,45 É devido à baixa usinabilidade destes materiais que é mais econômico usiná-los no estado solubilizado, deixando para dar o envelhecimento completo após a usinagem, Ross (1992). O aço inoxidável 15-5 PH utilizado nos estudos do presente trabalho se encontra no estado solubilizado, uma vez que, como afirma o autor, são difíceis de serem usinados no estado recozido ou depois de tratado por solubilização sendo ainda mais duros e resistentes à abrasão nas suas condições de envelhecimento completo. A realização dos ensaios baseou-se no fresamento frontal de faceamento do corpo de prova do aço inoxidável 15-5 PH que se encontrava no início dos ensaios nas dimensões ilustradas na Fig. (1). A largura fresada (a e ) foi de 14 mm. Figura 1. Medidas do corpo de prova Para todos os ensaios realizados neste trabalho os parâmetros de corte mantidos constantes foram a profundidade de corte (a p =1mm), a largura fresada (a e =14mm), a utilização de fluido de corte em abundância da marca Blaser B-Cool 655, o sentido de corte da ferramenta que é predominantemente discordante, ilustado na Fig. (2), e o tipo de entrada da ferramenta a qual foi entrada reduzida. Por outro lado os parâmetros variados foram: a velocidade de corte (v c =140, 170 e 195 m/min) e o avanço por dente (f z =0,15 e 0,25 mm/dente). Estes parâmetros estão ilustrados pela Tab. (2).

3 Tabela 2. Parâmetros de corte utilizados nos ensaios. Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Ensaio 4 Ensaio 5 Ensaio 6 v c (m/min) fz (mm/dente) 0,15 0,25 0,15 0,25 0,15 0,25 ap (mm) 1,0 ae (mm) 14,0 Figura 2. Esquema da cinemática do fresamento de topo e posicionamento da fresa, em que predomina o corte discordante De acordo com a Sandvik (2012), no intuito de amenizar os inconvenientes da entrada direta, optou-se neste trabalho pela entrada e saída reduzidas. Nesta estratégia de entrada, nos primeiros 10 mm de corte (aproximadamente metade do diâmetro efetivo da fresa), a velocidade de avanço (vf) foi reduzida em 50% como ilustrado na Fig. (3). Figura 3. Estratégia de entrada, com avanço reduzido Ao longo de todos os ensaios foram realizados acompanhamentos do aumento do desgaste da ferramenta, utilizando-se um microscópio estereoscópio com uma ampliação de 20x, acoplado a uma câmera MotiCam 2000 com software Motic Image Plus 2.0 ML. A cada 10 passadas mediu-se o desgaste. Portanto, a cada 2000 mm media-se o desgaste de flanco até que o VB atingisse 0,3 mm. Para todos os ensaios realizou-se réplica e/ou tréplica quando as variações dos resultados ultrapassem 20%. A máquina-ferramenta utilizada foi um centro de usinagem marca Mori-Seiki modelo SV-40, rotação máxima de RPM e potência nominal de 40cv controlada por CNC GE Fanuc 18M. A fixação do corpo de prova foi pelas laterais por meio de uma morsa, sendo considerado o sistema rígido. A ferramenta utilizada foi uma fresa de topo Sandvik, código R300-25T12-10L, com Ø25 mm, indicada para condições de semi-acabamento, alto avanço e corte suave, com dois insertos intercambiáveis redondos de código R M-MM classe GC2040 (ISO M40 com cobertura MT CVD), de geometrias positiva, como ilustrado na Fig. (4). Fresas com insertos intercambiáveis redondos são indicadas para uma ampla gama de operações como faceamento, abertura de bolsões e perfilamento, Sandivik ( 2012).

4 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Figura 4. (a) Dimensões da fresa (b) Dimensões do inserto, Sandvik (2012), adaptado De acordo com Diniz et al (2010) o desgaste da ferramenta cresce lentamente devido a alta resistência ao desgaste das camadas de coberturas até atingir valores da ordem de 0,3 a 0,4 mm. No entanto, depois deste estágio, a cobertura esta normalmente consumida e não tem mais efeito. O corte do material passa a ser feito pelo substrato e o desgaste pode crescer muito rapidamente, chegando a valores de 0,8 a 1,0 mm em um curto período de tempo. Na Figura (5) pode-se observar a aresta da pastilha nova, sem o desgaste, e a imagem do desgaste depois de ter atingido o limite de desgaste. (a) (b) Figura 5. (a) Imagem da aresta nova (b) Imagem da aresta com desgaste de flanco de 0,3 mm (aumento de 20X) A vida da ferramenta neste trabalho foi avaliada pelo desgaste do flanco, quando o mesmo atingia a medida de 0,3 mm. Na Figura (6) pode-se observar o acompanhamento do aumento gradativo deste desgaste, para os 6 tipos de ensaios realizados. Nota-se que a vida foi dada pelo número de passadas, em que cada passada equivale a 200 mm, como ilustrado anteriormente na Fig. (1) e não pelo tempo em minutos. Optou-se pela medida da vida da ferramenta pelo número de passadas uma vez que pode ser convertida para comprimento de corte, pois o estudo compara parâmetros diferentes, como o fz, que inviabiliza a medição da vida da ferramenta pelo tempo.

5 Figura 6. Gráfico do aumento gradativo do desgaste de Flanco V b, (v c dado em m/min e fz mm/dente) Observe que 2 ensaios com os parâmetros de corte de v c 140 /fz 0,25 e v c 190/fz 0,25 tiveram a vida acima dos 100 passos, que corresponde a um comprimento acima de 20 metros. Nota-se que o avanço por dente maior (0,25mm/dente) apresentou vida maior em relação ao avanço menor (0,15mm/dente). Isso provavelmente se deu porque a deformação com o avanço de 0,25 foi maior, uma vez que a deformação plástica aumenta progressivamente até ocorrer o cisalhamento dos planos ocasionando a formação do cavaco. Isso indica que a ferramenta em questão, para o material usinado, opera melhor próximo ao limite superior de avanço por dente recomendado em catálogo pelo fabricante. Vale lembrar que o corte foi predominantemente discordante, como mencionado anteriormente, o que ameniza o impacto na entrada de cada aresta na peça, mesmo assim, com menores avanços, o número de impactos por passe é maior, favorecendo seu desgaste, averiguando assim que a entrada e saída da ferramenta são fatores determinantes na vida da ferramenta. Outro detalhe que favoreceu este comportamento é que os avanços maiores fazem com que o corte ocorra fora da região encruada da peça. Para análise do tipo de desgaste sofrido pela ferramenta, foi realizado a Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) juntamente com a análise química proporcionada pela Espectrometria Eletrônica Dispersiva de Raio-X (EDS). Análises as quais podem ser observadas na Fig. (7). Analisando a Figura (7) observa-se que a aresta de corte da ferramenta apresenta pequenos lascamentos, uma vez que a forma do desgaste é irregular e não apresenta marcas de abrasão. Além disso, nota-se que nos pontos (1 e 3) o revestimento está praticamente intacto, e nos pontos (2 e 4) o substrato está exposto onde há elementos químicos da ferramenta e da peça (W e Ti elementos do substrato e cobertura da ferramenta e temos Fe, Cr e Ni elementos oriundos da peça). A presença destes elementos encontrados nos pontos 2 e 4, pode-se afirmar que ocorreu adesão de material. Quando ocorre adesão de material da peça na ferramenta, posteriormente essa parcela aderida é removida levando consigo porções do revestimento, depois o substrato exposto reage mais facilmente com o material da peça, ocorrendo nova adesão. De acordo Diniz et al (2010), apesar de este fenômeno ser característico de baixas velocidades de corte, ele pode ocorrer em velocidades maiores desde que o fluxo irregular de cavaco ocorra. Este mecanismo causador de desgaste é conhecido como aderência (atrition).

6 Elementos de Liga (concentração em %) Pontos Al Ti Cr Fe Co Ni W Total , Figura 7. MEV + EDS da composição da ferramenta desgastada 4. CONCLUSÕES Para os parâmetros de corte utilizados neste trabalho, os melhores resultados em que a ferramenta de corte teve maior tempo de vida foram obtidos para o avanço maior de 0,25mm/dente, sendo que para estes avanços, as velocidades de 140m/min e 195m/min tiveram desempenhos semelhantes. O desgaste típico apresentado pela ferramenta foi de pequenos lascamentos, em que partículas relativamente grandes são tiradas subitamente. Além de observados adesão de material da peça a ferramenta, fenômeno conhecido como attrition. 5. AGRADECIMENTOS Agradecemos o apoio e orientação recebida no grupo de Usinagem da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp, a Sandvik pelo fornecimento das ferramentas, Blaser pelo fornecimento do fluido de corte, Embraer pelo fornecimento do aço inoxidável, a CAPES pelo apoio financeiro e a comissão organizadora do COBEF 2013 pela oportunidade. 6. REFERÊNCIAS AK Steel, Products data bulletin, 2011 Disponível em < Acesso em 7 de Novembro de 2011 AK Steel, Stainless steel, 2011 Disponível em < Acesso em 7 de Novembro de 2011.

7 Diniz, A.E., Marcondes, C.M., Coppini, N.L., 2010, Avarias e Desgaste da Ferramenta, Tecnologia da usinagem dos materiais, 7ºEdição Ed. Artliber, São Paulo, Brasil, Diniz, A.E., Marcondes, C.M., Coppini, N.L., 2010, Desgaste e vida da Ferramenta, Tecnologia da usinagem dos materiais, 7ºEdição Ed. Artliber, São Paulo, Brasil, Krabbe, D. F., Otimização do fresamento do aço inoxidável aeronáutico 15-5 PH. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, Ross, R.B. Steel - chromium-nickel. In:. Metallic materials specification handbook. 4st ed. London: Chapman & Hall, Cap. 44N3, p Sandvik Catalog - Milling, 2012 Zanuto, Rodolfo de Souza. Avaliação de diferentes estratégias de entrada no fresamento do aço inoxidável 15-5 PH. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, DIREITOS AUTORAIS Os respectivos autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.

8 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7 th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING 15 a 19 de abril de 2013 Penedo, Itatiaia RJ - Brasil April 15 th to 19 th, 2013 Penedo, Itatiaia RJ Brazil LIFETIME STUDIES OF INTERCHANGEABLE ENDMILLS CARBIDE IN A FACEMILLING OPERATION OF 15-5 PH STAINLESS STEEL Código do Trabalho : COBEF Abstract.: In the metalworking industry, cost reduction is essential to competitiveness and to stay in the market increasingly competitive. In a manufacturing process, the useful life of the tool together with the time taken to correct when it is replaced can represent a large portion of the total product cost. Thus, the reduction of these costs is crucial to the process. When using a coated tools carbide, or any tool with defined geometry, wear more common that determines the tool life is the flank wear (V B ). This wear grows slowly due to high wear resistance of the layers of coatings to reach values of 0.3 to 0.4 mm. However, after this stage, the coverage is normally consumed and has no effect. The material cut is done by the substrate and wear can grow rapidly, reaching values of 0.8 to 1.0 mm in a short period of time. The aim of this paper is to present studies of an end-mill carbide tools life with interchangeable round inserts in a face-milling operation of the 15-5 PH stainless steel. The material choice for analysis comes from the few studies published in academic and about the same importance that the 15-5 PH has in the industry, especially in aerospace, as there are many applications in these industries due to its specific resistance and mechanical properties. The study consisted of tests in which varying the cutting speed (v c ) and feed per tooth (fz), the v c used were 140, 170 and 195 m / min, fz 0.15 and 0.25 mm / tooth. At literature, it is known that the v c has a direct influence on the lifetime of the tool, which was observed by the tests, however, the study has become wider in that comparing the lifetime of the tool with area and volume of removed chip. Keywords: tool life, 15-5 PH stainless Steel, endmills interchangeable and cutting speed.