AVALIAÇÃO DAS RUGOSIDADES EM FUNÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE NO TORNEAMENTO DO FERRO FUNDIDO NODULAR COM FERRAMENTA DE ALUMINA

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1 AVALIAÇÃO DAS RUGOSIDADES EM FUNÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE NO TORNEAMENTO DO FERRO FUNDIDO NODULAR COM FERRAMENTA DE ALUMINA J.V.C. Souza 1 ; O. M. M. Silva 2 ; L. F. Sousa 3 ; A. R. Marcondes 4 ; R. F. Ávila 3, C. Santos 5 1 FEG-UNESP Av. Ariberto F. da Cunha, 333, Guaratinguetá SP, CEP , Brasil 2 DCTA/IAE/AMR S. J. C. - SP, Brasil; 3 IFS - Juiz de Fora MG, Brasil; 4 FATEC Taubaté SP, Brasil; 5 UNIFOA Volta Redonda, Brasil candido@feg.unesp.br RESUMO A ciência e a tecnologia estão avançando cada vez mais rápido, se interagindo com a econômia, sociedade e meio ambiente. Entre os materiais, as cerâmicas estruturais vêm apresentando um forte tendência de crescimento até 2025, para as mais diversas aplicações. Nos processos de usinagem, têm sido aplicado nas ligas resistentes ao calor apresentando importantes avanços, devido a suas propriedades únicas. O objetivo deste trabalho é a integração do desenvolvimento científico e tecnológico no torneamento a seco do ferro fundido nodular utilizando ferramenta à base de alumina desenvolvida em laboratório, e avaliar seu desempenho em função dos desgastes, rugosidades e comprimentos de corte. Os testes foram realizados usando as velocidades de corte (V c ) de 200, 500 e 600 m/min., avanço (f) de 0.25 e 0.10 mm/rot e profundidade de corte (a p ) de 0.50 mm. Os resultados mostraram que na V c de 500 m/min., foram obtidos as menores rugosidades (Ra, Ry e Rz) e maior comprimento de corte (Lc). Os resultados são promissores para futuras aplicações em diferentes ligas. Palavra chave: Ferramentas de Alumina; Usinagem a seco; Desgaste de flanco; Rugosidades, Custos. 819

2 INTRODUÇÃO A manufatura de materiais que apresenta propriedades específicas para as mais diversas aplicações no mundo moderno vem sendo objeto de importantes pesquisas. Importantes evoluções podem ser observadas no uso de ligas resistentes ao calor e a corrosão utilizada pelas indústrias aeronáutica, aeroespacial, automobilísticas, petroquímica e outras. essas industrias busca melhoria de desempenho de seus produtos, com foco na redução de poluentes na atmosfera, redução de peso, custos, entre outros. Porem o uso dessas ligas implica em dificuldade de fabricação, fato que eleva o custo dos equipamentos e produtos [1]. Na fabricação de peças, a usinagem é um dos principais processos mais utilizados por essas indústrias. A usinagem de materiais como os ferros fundidos, ligas de níquel, aços endurecidos e outros, apresentam dificuldades de usinagem, fazendo necessária uma seleção criteriosa dos parâmetros, processos, tipos de ferramentas de corte, meio utilizado, etc. Entre os grupos de ferramentas, as de materiais cerâmicos vêm apresentando uma continua evolução de crescimento na usinagem destas ligas [2]. As cerâmicas para ferramentas de corte são conhecidas como estruturais apresentando importantes avanços em função de suas propriedades promissores fazendo parte de uma tecnologia viabilizadora de produtos e equipamentos de ponta, promovendo um grande efeito multiplicador na economia com alto índice de alavancagem [2, 3, 4]. Em recente pesquisa nos Estados Unidos, concluiu-se que os materiais cerâmicos avançados crescerão 7 % anualmente até 2010, com significativo aumento de suas aplicações nas indústrias de segurança (blindagem balística), aeroespacial (revestimento de naves) automotivas (freios, filtros, sensores e outros) nas indústrias de manufaturas (ferramentas de corte), etc. Nesta pesquisa também foi relatado um histórico de estudos realizados em 2002, 2007 e 2012, onde constatou que mais de 10.6 bilhões de dólares foi gasto pelas indústrias nesses tipos de cerâmicas, sendo previsto crescimento ainda maior em torno de 5,1 % anualmente para o período de 2017 á 2022 [5]. A elucidação de aplicações de ferramentas cerâmicas na usinagem de diversas ligas é, portanto a solução para obter produtos manufaturados de alta qualidade e com baixo custo, sendo, portanto, um determinante crucial de produtividade industrial e, consequente competitividade internacional [2, 6]. Porém face á ausência de ações previamente planejadas e de 820

3 programas articulados envolvendo as universidades, indústrias e centros de pesquisas, o conjunto das atividades de P&D, em sua maioria, tem-se restringido há informações técnicas fornecidas por fabricantes de materiais e ferramentas de corte, não se fechando todo o ciclo. Nos processos de usinagem, o sinergismo entre o desenvolvimento tecnológico, necessidades econômicas e fatores ambientais vêm proporcionando grandes necessidades de mudanças nos processos de fabricação [7]. As vantagens pré-escritas das ferramentas cerâmicas pode ser em função de sua estabilidade térmica e química em altas temperaturas e a excelente resistência ao desgaste. O objetivo deste trabalho é a integração do desenvolvimento cientifico e tecnológico no torneamento a seco do ferro fundido nodular utilizando ferramenta a base de alumina desenvolvida em laboratório, e avaliar seu desempenho em função dos desgastes, rugosidades e comprimento de corte usando diferentes velocidades de corte e avanços. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Metodologia do desenvolvimento da ferramenta cerâmica O lote de ferramentas de corte foi desenvolvido utilizando pós de alumina α (α- Al 2 O 3 da Alcoa) e óxido de ítrio (Y 2 O 3 da HCST da Alemanha), na composição de 95% de Al 2 O 3 e 5% de Y 2 O 3 em peso e com tamanho de partículas de 0,40 a 0,70 µm. A composição foi moída e homogeneizada em meio liquido por 24h utilizando moinho de bolas rotativo com potes e esferas de alumina. Após a homogeneização realizou um controle de qualidade em função do peso das esferas e do copo do moinho para análise de possível contaminação. Em seguida o pó foi secado em estufa a 120 o C, desagregado e peneirado em malhas de 100 mesh (0,15mm). Os corpos a verde foram prensados uniaxialmente em uma matriz metálica no formato 16,36 x 16,36 x 7,50 mm, com carga de 80 MPa, seguida por prensagem isostática com carga de 300 MPa, por 2 min. Os corpos a verde foram acomodados sobre um cadinho de alumina, protegido por uma cama de alumina grossa, seguido da sinterização nas temperaturas de 1600 C por 2 h, com taxas de aquecimento de 15 C/min até 1200 C, 10 C/min até 1400 C e 5 C/min até a temperatura final. O resfriamento se deu na inércia do forno. 821

4 Após a sinterização as cerâmicas foram analisadas quanto à densidade relativa pelo principio de Archimedes, e posteriormente lixadas e polidas para análise de microdureza e tenacidade á fratura utilizando método de indentação Vickers com carga de 20 N, de acordo com as normas ASTM-C [8] e ASTM-C [9], respectivamente. Testes de usinagem a seco Os testes de torneamento a seco foram realizados no ferro fundido (FUCO FE45012) com grafita nodular em uma matriz ferritica/perlitica de acordo com a norma ASTM A247, com dureza aproximada de 203 HB e composição química 2,99-3,30% de C, 2,2-2,73% de Si, 0,40% de Mn, 0,044-0,056% de P, 0,065-1,09% de S, 0,05% de Cr, 0,08-0,10% de Cu e o restante de Fe em um torno CNC marca Romi modelo Centur 30D, com RPM Máxima de 4500 RPM e potência de 7,5KW [10]. Os corpos de prova foram pré-usinados para uma melhor fixação nas castanhas com parte útil de 104 mm em diâmetro e 300 mm de comprimento. As ferramentas utilizadas foram desenvolvida na geometria SNGN de acordo com a norma ISO 1832, fixada em um suporte da marca Sandvick modelo DSBNR 2020K 12 e velocidades de corte (V c ) de 200, 500 e 600 m/min., avanço (f) de 0.25 e 0.10 mm/rot. e profundidade de corte (a p ) de 0.50 mm [11]. As propriedades das ferramentas foram avaliadas antes dos testes de usinagem, apresentando dureza (Hv) de 12,10 ± 0.12 GPa, tenacidade a fratura (K ic ) de 8,6 MPa.m 1/2 e densidade relativa de 97,23 ± 0,15%. A ferramenta durante a usinagem e sua geometria são mostradas nas Figura 1 e 2, Os testes e caracterizações dos testes de usinagem foram realizados nos laboratórios pertencentes ao núcleo de pesquisas NUPAM do IF Sudeste MG. Fig. 1-Ferramenta cerâmica durante os testes; Fig.2- Foto das ferramentas 822

5 Caracterização dos desgastes das ferramentas As caracterizações dos desgastes ocorridos nas ferramentas foram realizadas com o auxilio de um microscópio estereoscópico trinocular (mod. SZ-6145 TR), marca olympus com aumento da imagem em 45 vezes, e um software de captura de imagens (AnalySis). As análises foram determinadas de acordo com a norma ISO 3685/1993, a qual fixa o desgaste de flanco máximo de 0,6mm [12]. As rugosidades (Ra, Ry e Rz) foram realizadas utilizando um rugosímetro Mitutoyo SJ-301 em três regiões distintas, defasadas de 120⁰ uma da outra aplicando um filtro GAUSS e cut off de 0,08mm de acordo com a norma ABNT 2768/2001 [13]. RESULTADOS E DISCUSSÕES A avaliação dos resultados obtidos neste trabalho permite uma análise do desempenho da ferramenta cerâmica desenvolvida em laboratório para a usinagem do ferro fundido nodular, além de promover expectativas de usinagem de outras ligas no futuro. Desgaste de flanco versus comprimento de corte As taxas de desgastes de flanco, vida da ferramenta são apresentados na Figura 3. Esses resultados permitem uma avaliação, e comparação do desempenho da ferramenta de Al 2 O 3 em diferentes velocidades de corte e avanços. A obtenção dos resultados é de acordo com as condições de corte, em função dos desgastes e comprimentos de corte. Fig. 3- Desgaste de flanco (mm) versus comprimento de corte (m) 823

6 Na Figura 3 podemos observar, que para todas as velocidades de corte utilizadas a ferramenta de Al 2 O 3 obteve comprimento de corte maior que 2900metros. Isso é evidenciado quando do uso das Vc de 200, 600 m/min. e avanço de 0,25 mm/rot., Vc de 600 m/min., avanço de 0,10 mm/rot., mostrando a influencia de diferentes parâmetros de corte utilizados. Um fator importante é que para todas as condições de corte, a ferramenta exibiu comportamento de desgaste similar. Isso mostra claramente que a média de desgaste de flanco é proporcional ao comprimento de corte, fato que comprova que não houve falha abrupta da ferramenta durante o torneamento a seco. Analisando todas as condições de corte, podemos observar que para todas as velocidades de corte, as curvas de desgastes apresentam de maneira paralela, ou seja, o com desgastes de flanco similares. Na Vc de 500 m/min. fica mais evidente o maior comprimento de corte de 4300metros quando do uso do avanço de 0,10 mm/rot., enquanto que para o avanço de 0,25 mm/rot. o comprimento de corte reduziu para 3500 metros. Entretanto esses resultados podem estar relacionados com a energia térmica e mecânica que age na interface ferramenta-peça promovendo uma redução da resistência do ferro fundido nodular e absorvendo grafite na interface, o que promove menor atrito. Desgaste da ferramenta no torneamento a seco A Figura 4 mostra os desgastes ocorridos na ferramenta de Al 2 O 3 para diferentes parâmetros de corte. Usando o microscópio estereoscópico foram observados os traços dos desgastes no flanco da ferramenta. No aspecto geométrico os desgastes apresentam características similares, resultados que confirma as características da Figura 3. Fig.4a) - Vc=200 e f=0,25mm/rot. ; Fig. 4b) - Vc=500 e f=0,1mm/rot. 824

7 Fig. 4c) - Vc=500 e f=0,25mm/rot.; Fig. 4d) - Vc=600 e f=0,1mm/rot. Fig. 4e) -Vc=600 e f=0,25mm/rot. Analisando a Fig. 4, podemos observar que os mecanismos de desgaste predominante são abrasivos e adesivos. Essas características podem ser definidas em função dos aspectos geométricos dos desgastes de flanco. Nessas imagens podemos observar que os desgastes não se estende na superfície secundária de corte, mas apresenta uma característica de superfície lisa no flanco, com pontos escuros provavelmente da ação do grafite durante a usinagem. O chanfro da ferramenta é uma área que sofre intensas cargas mecânicas e tensões térmicas, a qual para as ferramentas cerâmicas são negativas, podendo o chanfro ser uma área de absorção de grafite na usinagem dos ferros fundido. Usando o chanfro como referência, podemos obervar que a área do chanfro apresentou um entalhe do lado da superfície de folga da ferramenta. Este entalhe pode agir como elemento de melhoria de desempenho da ferramenta, qual pode concentrar em sua geometria específica quantidades de grafite suficiente para promover pequenas mudanças no raio de ponta, na aresta secundária, além de suavizar o contato ferramenta-peça, promovendo a formação de uma nova aresta de corte que pode ser caracterizada 825

8 como microwiper a qual provavelmente resultará em baixas rugosidades. Isso se dá em função das ferramentas de alumina apresentar boa estabilidade termodinâmica agindo como barreira térmica evitando a difusão e aumentando a vida. Isto confirma que, os mecanismos de desgaste são primeiramente abrasão, seguido de adesão, que absolve o grafite durante a usinagem em um processo cíclico, com maior ou menor predominância de abrasão, fato este que esta relacionado com os parâmetros de corte utilizados, que determinam a ação da temperatura na interface ferramentapeça. Isso pode ser considerado positivo para as Vc de 500 e f de 0,1mm/rot., que obteve comprimento de corte de 4300 metros, enquanto que para as Vc de 200 e 600m/min o comprimento de corte foi de 2900 metros, sendo considerado como elemento negativo. Esses resultados reforçam os estudos, que os autores vêm realizando experimentalmente em laboratórios de usinagem utilizando diferentes ferramentas cerâmicas. Tem sido observado que as ferramentas cerâmicas possuem um campo ideal de temperaturas, sendo que em baixa ou excessiva temperatura o rendimento da ferramenta é promovido, fato que possui uma relação direta com a dureza e tenacidade a fratura das ferramentas. Acabamento superficial das peças Neste trabalho o acompanhamento das rugosidades foram realizados passo a passo, e plotado no gráfico (Figura 5) em função da média de tres leitura. Fig. 5a). Rugosidade superficial (Ra) versus Comprimento de corte. 826

9 Fig. 5b). Rugosidade superficial (Ry) versus Comprimento de corte. Fig. 5c). Rugosidade superficial (Rz) versus Comprimento de corte. Como pode ser observada na Figura 5, a rugosidade superficial não apresenta um perfil de aumento constante com comprimento de corte. Para diversas condições de corte utilizadas as rugosidades aumentam com o aumento do comprimento de corte, exceção para Vc=500 m/min. e f=0,10mm/rot. que mantém as rugosidades constantes. Se comparado ao desgaste de flanco à tendência é a mesma, mas cabe uma exceção para a Vc=500m/min. e f=0,25mm/rot. que após 2150 metros tende a reduzir as rugosidades. Estas variações dificultam definir de maneira exata uma conclusão sobre a relação do desgaste de flanco com as rugosidades obtidas, podendo vários outros elementos interferir nesses valores, como defeitos microetruturais do ferro fundido, partículas dura das ferramentas, parâmetros de corte, etc. Entretanto da mesma maneira que os parâmetros podem agir de maneira maléfica, os mesmos podem contribuir com o processo permitindo uma melhor acomodação ferramenta-peça, o que reduz as vibrações durante a usinagem. Isso ocorre devido a pequenas mudanças em milímetros da aresta de corte da 827

10 ferramenta que com o auxilio da temperatura e absorção do grafite promoverá uma melhor acomodação ferramenta-peça. Entretanto somente este fenômeno não permite uma conclusão fechada dos resultados de rugosidades, mas acomodação entre a ferramenta e a peça pode melhorar movimentação dos cavacos sobre a superfície de saída da ferramenta. Quando da seleção correta dos parâmetros de corte, a ação da temperatura irá promover uma deposição natural do grafite na interface ferramenta-peça-cavaco, o que promove baixo coeficiente de atrito e facilidade de remoção dos cavacos. Entretanto esse fato foi observado por Souza, (2009) que relatou em seu trabalho que a força de corte e rugosidades diminuiu com o aumento da temperatura, fato que esta sendo confirmado pelos autores em testes experimentais no laboratório, conforme relatado no item 3.2. Neste trabalho os melhores resultados de rugosidades foram obtidos V c =500 m/min e f= 0.10 mm/rev, o qual também promoveu menor desgaste de flanco. Entretanto vários fatores podem interferir nos resultados de rugosidades, mas todos podem ser minimizados, ser for utilizado os parâmetros de usinagem mais adequados para cada tipo de ferramentas. CONCLUSÕES Os resultados obtidos mostraram que a ferramenta de alumina desenvolvida em laboratório e aplicada ao torneamento a seco do ferro fundido nodular apresentou importantes contribuições científica e tecnológica. Os resultados obtidos mostraram que os parâmetros de corte possui influência direta nos valores de rugosidades, desgaste das ferramentas, em função do comprimento de corte, sendo sua escolha correta promover importante aumento de vida da ferramenta. Neste trabalho a Vc=500 m/min. e f=0,10mm/rot. promoveu maior comprimento de corte (4300 metros) e menores valores de rugosidades, enquanto que na Vc=200 m/min. o comprimento de corte foi de 2900metros e as rugosidades superiores. Esses relatos mostram que a ferramenta apresenta grande potencial para aplicação na usinagem a seco de diversas ligas. 828

11 REFERÊNCIAS [1] Szmytka, F.; Michaud, P.; Rémy L. and Köster, A. Thermo-mechanical fatigue resistance characterization and materials ranking from heat-flux-controlled tests. Application to cast-irons for automotive exhaust part, International Journal of Fatigue, v. 2013, p [2] Souza, J.V.C, Desenvolvimento de Pastilhas Cerâmicas à Base de Si3N4 para Aplicações Tribológicas, Tese Doutorado, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita. Tese de Doutorado, 2005 [3] Silva, O.M.M. Desenvolvimento e caracterização de ferramentas de corte nacionais de nitreto de silício. Dissertação de mestrado Instituto Tecnológico de Aeronáutica, [4] Lanna, M. A., et al. Otimização de custos de produção de ferramentas utilizando sinterização normal. Anais do 48 o Congresso Brasileiro de Cerâmicas, [5] Acessado 01/02/2014, [6] Souza, J.V.C.; Nono, M.C.A.; Ribeiro, M.V.; Machado, J.P.B.; Silva, O.M.M. Cutting forces in turning of gray cast iron using silicon nitride based cutting tool, Materials & Design, v.30, (2009), pp [7] Prasad, C.L.V.R.S.V., Ramana, S.V., Pavani,P.L., Ramji, K., Experimental Investigations for the Prediction of Wear Zones on the Rake Face of Tungsten Carbide Inserts Under dry Machining Conditions, Procedia CIRP, V.8, (2013), p [8] ASTM: C ; Standard test method for vickers indentation hardness of advanced ceramics, pp. 1-8, [9] ASTM: C ; Standard test method for determination of fracture toughness of advanced ceramics at ambient temperature, pp. 1-32, [10] AMERICAN SOCIETY OF TEST MATERIALS ASTM A247; Standard test method for evaluating the microstructure of graphite in iron castings. [11]INTERNATIONAL STANDARD ISO 1832/1992; Indexable Inserts for Cutting Tools - Designation, [12] International Organization For Standard ISO 3685; Tool life testing with single point turning tools, 1993, 47pp. [13] Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT 2768/2001 Tolerância para dimensões lineares e angulares sem indicação de tolerância individual,

12 SURFACE FINISH PERFORMANCE IN FUCTION OF CUTTING TOOLS PARAMETERS ON DRY TURNING NODULAR CAST IRON WITH ALUMINA CUTTING TOOLS J.V.C. Souza 1 ; O. M. M. Silva 2 ; L. F. Sousa 3 ; A. R. Marcondes 4 ; R. F. Ávila 3, C. Santos 5 1 FEG-UNESP Av. Ariberto F. da Cunha, 333, Guaratinguetá SP, CEP , Brasil 2 DCTA/IAE/AMR S. J. C. - SP, Brasil; 3 IFS - Juiz de Fora MG, Brasil; 4 FATEC Taubaté SP, Brasil; 5 UNIFOA Volta Redonda, Brasil candido@feg.unesp.br ABSTRACT The science and technology are advancing at an increasingly rapid pace and the ways in which they interact with economy, society and environment are becoming increasingly complex. Balancing the essential needs of science quality, structural ceramics come been presenting a strong tendency for advanced until 2025 to different application fields. In the machining process, the ceramics cutting tools have been applied on alloys heat resistance presenting important evolutions due to unique properties. The present studies are of importance from two viewpoints; scientific and technological development. The alumina development in laboratory was application effective as cutting tool on the dry turning process of nodular cast iron. Tool performance was evaluated with respect at tool wear, surface finish and cutting length. The cutting speed (V c ) of 200, 500 e 600 m/min., feed rate (f) of 0.25 e 0.10mm/rev and depth of cut (a p ) of 0.50 mm was used. The results of dry machining have been observed that at V c de 500 m/min presented the best cutting length and surface finish for Ra, Ry and Rz. This paper showed that dry turning process using alumina cutting tools were promising to apply in automotive industries, besides can been used in another materials. Keywords: Alumina cutting tools; Dry machining; Flank wear; Surface finish; Economy. 830