Torneamento de aço endurecido com superfícies interrompidas usando ferramentas de CBN

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1 Torneamento de aço endurecido com superfícies interrompidas usando ferramentas de CBN 1 INTRODUÇÃO As principais vantagens em se tornear peças de material endurecido ao invés de retificá-las são a alta flexibilidade e a capacidade do torneamento em usinar superfícies complexas em somente um set up da máquina. O custo do torneamento é, em geral, menor que o custo da retificação. Além disso, o torneamento de aço endurecido é normalmente realizado a seco, o que elimina os problemas causados pelo fluido de corte. Por outro lado, o torneamento de aços endurecidos não é muito adequado ao corte de superfícies interrompidas, porque a maioria das ferramentas utilizadas nesta operação não é muito tenaz. Portanto, este trabalho tem como objetivo alargar o uso de ferramentas de torneamento em aço endurecido, comparando a utilização de duas classes de ferramentas de CBN e duas micro-geometrias da aresta de corte em torneamento de face de três tipos de superfícies: contínua, semi-interrompida e interrompida. O material das peças usinadas foi o aço AISI 4340 com dureza média de 56 HRC. Os resultados mostraram que quando a classe de CBN com menor teor de CBN foi usada, as maiores vidas da ferramenta foram obtidas, independentemente do tipo de superfície usinada. Contudo, no corte contínuo, as ferramentas chanfradas Anselmo Eduardo Diniz Adilson José de Oliveira Departamento de Engenharia de Fabricação/Faculdade de Engenharia Mecânica/UNICAMP, Campinas, SP, Brasil provaram ser as melhores em termos de vida da ferramenta, enquanto para o corte interrompido as ferramentas com arredondamento da aresta apresentaram os melhores resultados. 2 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Os corpos de prova foram feitos de aço AISI 4340 com 56 HRC de dureza média. Três tipos de corpos de prova foram usados e estão mostrados nas figuras 1, 2 e 3. Estes corpos de prova foram construídos a fim de se obter cortes contínuo, semi-interrompido e totalmente interrompido no torneamento de faceamento. As ferramentas foram construídas com duas classes diferentes de CBN: 7020 e De acordo com Sandvik Coromant (2000), a classe CBN 7020 é um material com teor mais baixo de CBN e contém uma fase cerâmica (TiN), enquanto a classe CBN 7050 contém teor mais alto de CBN. As duas classes são recomendadas para a usinagem de aço endurecido e ferro fundido em operações de acabamento [1]. Dois tipos de micro-geometrias da aresta de corte foram usados: aresta chanfrada e aresta com chanfro e arredondamento. O código ISO dos insertos e porta-ferramenta foram, respectivamente, SNGA (com cobertura de TiN) e PSBNR 2525 M12. As condições de corte foram aquelas recomendadas pelo fabricante da ferramenta: velocidade de corte vc = 150 m/min, avanço f = 0.08 mm/rot e profundidade de usinagem ap = 0.15 mm. Os experimentos foram realizados em um torno CNC de 15 kw de potência do motor principal e com rotação máxima de 4500 rpm. A análise do desgaste de flanco da ferramenta durante cada ensaio era realizada utilizando-se um microscópio ótico. A ferramenta era considerada em fim de vida quando o desgaste de flanco atingia VBB = 0.20 mm. Um experimento também terminava quando o tempo de corte de 100 minutos era atingido, mesmo que o desgaste não tivesse chegado naquele valor. Os experimentos consistiam em sucessivas passadas de torneamento radial nas superfícies, até o momento em que a ferramenta atingisse o fim de vida ou o tempo de corte atingisse 100 minutos. Cada experimento foi realizado pelo menos duas vezes. A rugosidade das superfícies usinadas (Ra) era medida diversas vezes durante um experimento usando um rugosímetro Mitutoyo portátil. 3- RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 VIDA DA FERRAMENTA A figura 4 mostra os resultados em termos de vida da ferramenta para todos os experimentos realizados. Como pode ser visto nesta figura, a classe 7020 sempre apresentou vida de ferramenta maior que a classe 7050, independentemente da micro-geometria da aresta e do tipo de superfície usinada. A classe 7020 contém uma fase cerâmica em sua composição e, portanto, uma menor porcentagem de CBN quando comparada com a classe Então, ela possui menor condutividade térmica 24 O Mundo da Usinagem

2 Figura 1: Corpo de prova para o corte contínuo. Figura 2: Corpo de prova para o corte semi-interrompido. Figura 3: Corpo de prova para o corte interrompido. e maior dureza que a classe 7050 (de acordo com dados da Sandvik). Estas propriedades explicam a maior vida da ferramenta da classe Mesmo quando o corte interrompido foi usado, quando o fim da vida da ferramenta não foi atingido e os experimentos foram interrompidos com 100 minutos de tempo de corte, a classe 7020 apresentou menor desgaste neste momento. Portanto, a suposta maior tenacidade da classe 7050 não foi importante mesmo no corte interrompido. Assim, a classe 7020 é mais adequada que a 7050 para a operação de torneamento de aços endurecidos com superfícies similares às utilizadas nestes experimentos. Talvez, se o número de interrupções fosse maior, a maior tenacidade da classe 7050 prevaleceria e, portanto, ela teria maior vida que a classe Outro ponto interessante mostrado na figura 4 é que o corte interrompido sempre apresentou vidas de ferramenta mais altas que o corte semi-interrompido e contínuo, independentemente da micro-geometria da aresta e da classe de CBN. O aumento da temperatura estimula os mecanismos de desgaste como abrasão e difusão [2, 3], porque reduz a dureza da ferramenta e, então, torna mais fácil a remoção de partículas da ferramenta e também estimula a troca de partículas entre cavaco e ferramenta (difusão). Portanto, Sandvik Coromant do Brasil 25

3 [Pesquisa & Desenvolvimento] manter a temperatura em níveis mais baixos geralmente aumenta a vida da ferramenta. Pode-se afirmar que a ferramenta permaneceu em temperatura mais baixa quando o corte interrompido foi utilizado, devido a três fatores: a) devido às interrupções, a propagação de calor dentro da peça foi prejudicada e, portanto, a ferramenta tocava uma parte mais fria da peça a cada 90 o de rotação; b) com a rotação da peça, um fluxo de ar era gerado nos sulcos que tornavam o corte interrompido, o que ajudou a manter a peça e a ferramenta frias; c) porque a ferramenta cortava somente uma pequena parcela da peça entre dois sulcos, não havia tempo suficiente para gerar uma zona de aderência entre cavaco e superfície de saída da ferramenta. Quando esta zona de aderência ocorre, altas tensões de compressão, altas taxas de deformação e altas temperaturas também ocorrem e, portanto, a troca de partículas entre cavaco e ferramenta é estimulada, causando desgaste de cratera na superfície de saída da ferramenta. Não se percebeu nenhum desgaste de cratera na ferramenta quando o corte interrompido foi usado. Ainda analisando a figura 4, as vidas das ferramentas para os cortes semi-interrompido e contínuo foram similares, um pouco maiores no corte semi-interrompido quando a classe 7050 foi utilizada e um pouco maior no corte contínuo quando a classe 7020 foi usada. Este fato prova que as quatro interrupções causadas pelos furos nas superfícies não foram importantes para os mecanismos de desgaste da ferramenta. Em termos de micro-geometria da aresta, as ferramentas com arestas arredondadas apresentaram maiores vidas quando a classe 7050 foi usada e as ferramentas chanfradas tiveram maiores vidas quando a classe 7020 foi utilizada. O arredondamento da aresta torna-a mais rígida e resistente ao lascamento e quebra. Por outro lado, ele causa maior deformação do cavaco devido ao menor ângulo de saída que gera, principalmente quando a espessura do cavaco é muito pequena RUGOSIDADE DAS SUPERFÍCIES Existem diversas vantagens na substituição da retificação pelo torneamento na produção de peças de aço endurecido, mas ao menos três requisitos tem que ser analisados com cuidado: tolerâncias dimensionais, tolerâncias de forma e rugosidade da peça [2]. Desvios de forma e dimensão dependem de fatores ligados à rigidez Figura 4: Vida da ferramenta (em tempo de corte) para todos experimentos. do sistema máquina-ferramentadispositivo de fixação-peça, além da temperatura do processo. Como o torneamento de aço endurecido é geralmente realizado a seco, as dilatações térmicas da peça têm que ser controladas. Portanto, valores pequenos de profundidade de usinagem são usados para diminuir a temperatura da peça. A rugosidade também depende da rigidez do sistema, mas está diretamente ligada com o avanço e o raio de ponta da ferramenta. Geralmente, valores pequenos de avanço e altos de raio de ponta são utilizados para propiciar baixos valores de rugosidade, similares àqueles obtidos em processos de retificação [4, 5]. As figuras 5, 6 e 7 mostram os valores de rugosidade média (Ra), para todos os experimentos. No começo da vida da ferramenta, os valores de rugosidade eram sempre próximos aos usualmente obtidos nos processos de retificação. Até 10 minutos de corte todos os valores de rugosidade eram menores que 0,5 µm, um valor tipicamente obtido em retificação. À medida que o ensaio avançava, no corte contínuo (figura 5) somente a ferramenta 7020 chanfrada manteve a rugosidade da peça menor que 0.6 µm, que é um limite típico de rugosidade na retificação. A ferramenta chanfrada é mais aguda que aquela com arredondamento da aresta, o que faz com que a formação do cavaco seja facilitada e, assim, seja possível se obter menores valores de rugosidade. No corte semi-interrompido (figura 6), os dois tipos de arestas da classe 7020 (chanfrada e arredondada) apresentaram comportamento similar em termos de rugosidade da peça. A aresta chanfrada, como já citado, tornou a formação de cavaco mais fácil, mas, por outro lado, o arredondamento da aresta possibilitou que ela fosse mais resistente 26 O Mundo da Usinagem

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5 [Pesquisa & Desenvolvimento] aos choques causados pelos furos na superfície da peça, diminuindo os microdanos da aresta de corte. No corte interrompido, no qual o número de choques é muito maior Rugosidade R 3 [ µm ] Rugosidade R 3 [ µm ] 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, que no corte semi-interrompido, a contribuição do arredondamento para o aumento da rigidez da aresta foi fundamental para diminuir os microdanos na aresta e, portanto, o Tempo de Corte [min] Figura 5: Rugosidade (Ra) x tempo de corte para o corte contínuo Tempo de Corte [min] Chanf. Arred Chanfrada Chanf. Arred Chanfrada Chanf. Arred Chanfrada Chanf. Arred Chanfrada Figura 6: Rugosidade (Ra) x tempo de corte para o corte semi-interrompido crescimento da rugosidade quando este tipo de aresta foi usado foi muito mais lento que quando a aresta chanfrada foi utilizada. 4 CONCLUSÕES Baseado nos resultados obtidos neste trabalho, pode ser concluído para o torneamento de faceamento do aço AISI 4340 endurecido com ferramentas de CBN e em condições similares às usadas aqui, que: no corte contínuo, a ferramenta que apresentou o melhor desempenho em termos de vida de ferramenta e de rugosidade da peça foi o CBN 7020 (CBN + cerâmica) com aresta de corte chanfrada; no corte semi-interrompido, a ferramenta mais adequada foi também o CBN 7020 e ambos os tipos de arestas de corte podem ser utilizados; no corte interrompido, de novo a classe 7020 é a mais adequada. Em termos de vida de ferramenta os dois tipos de arestas apresentaram comportamento similar, mas em termos de rugosidade da peça, a aresta com arredondamento apresentou um desempenho muito melhor que a ferramenta chanfrada. Referências Bibliográficas [1] SANDVIK COROMANT, Ferramentas para torneamento. Catálogo. São Paulo, p. Rugosidade R 3 [ µm ] 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Tempo de Corte [min] Figura 7: Rugosidade (Ra) x tempo de corte para o corte interrompido Chanf. Arred Chanfrada Chanf. Arred Chanfrada [2] TRENT, E.M., Metal Cutting. 3. ed. Oxford: Butteworths-Heinemann, p. [3] DINIZ, A. E.; MARCONDES, F. C.; COPPINI, N. L., Tecnologia da Usinagem dos Materiais, 2. ed., São Paulo: Artiliber Editora, p. [4] WECK et. al., Reduction and compensation of thermal errors in machine tools, Annals of the CIRP, v. 44, n. 2, p , [5] KLOCKE, F.; EISENNBLÄT- TER, G., Dry cutting, Annals of the CIRP, v. 46, n. 2, p , O Mundo da Usinagem

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