Ferramentas e materiais de corte

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1 Ferramentas e materiais de corte Equação de Taylor influência da velocidade de corte na vida da ferramenta Equação de Taylor - a influência da velocidade do corte na vida útil da ferramenta em escalas limitadas da velocidade V de corte, vida T da ferramenta é observada frequentemente por variar linearmente com V numa escala, como mostra a figura. Foi observado experimentalmente que a relação entre a vida útil de uma ferramenta T (o tempo que pode ser usada activamente para maquinar um metal) e a velocidade de corte V, podem ser expressas a partir da lei de potência: W=C. É comum anotar todos os pontos de interesse quando se faz uma observação experimental da vida útil da ferramenta para criar a chamada curva de vida de Taylor. Curvas representativas da vida para ferramentas, através da lei de Taylor Além do tempo de vida da Ferramenta é necessário ter outros factores em consideração como por exemplo o custo da ferramenta a substituir e o tempo de substituição.

2 C é uma constante cujo valor é numericamente igual a 1. O tempo T está elevado a um expoente n que representa a sensibilidade da ferramenta à mudança de velocidade. Aspecto gráfico do Modelo de Taylor para a vida da ferramenta. É uma escala logarítmica. Materiais de Corte Aços Rápidos - HSS Existe presentemente mais de 40 classificações individuais de ferramentas de corte a alta velocidade de acordo com American Iron and Steel Institute (AISI). AISI estabeleceu um sistema de classificação que consiste em designar como T os aços que possuem Tungsténio e como M os que têm Molibdénio como principal elemento de liga. Estes aços rápidos das ferramentas possuem também outros elementos de liga: Carbono aumenta sobretudo a dureza e a resistência ao desgaste; Silício a sua percentagem máxima é de cerca de 1,0 %. Aumenta ligeiramente a dureza a mais altas temperaturas; Manganês tem como efeito negativo a diminuição da resistência ao choque; Fósforo provoca diminuição da resiliência e provoca fracturas na ferramenta. Por isso a sua concentração é mantida o mais baixo possível; Crómio a sua concentração varia entre 4 e 5 %. É responsável pela grande dureza das ferramentas. Também reduz a oxidação. Tungsténio este elemento aparece em todos os aços rápidos do tipo T. Confere dureza e sobretudo mantém-na a altas temperaturas.

3 Molibdénio está presente em todos os aços rápidos do tipo M. Tem um ponto de fusão mais baixo que o tungsténio mas apresenta em relação a este uma dureza maior. No entanto para altas temperaturas o tungsténio consegue atingir valores mais altos. Independentemente do tipo de aço ser M ou T, todas estas ligas possuem uma grande percentagem de elementos de liga e uma dureza de aproximadamente 64 HRC. Possuem também uma boa resistência a alta - temperatura e tenacidade Carbonetos São fabricados através de um processo metalúrgico que consiste na sintetização de vários pós metálicos. Este processo é constituído por vários estágios: Processamento do elemento Tungsténio para transformar em pó; Processamento de outros pós; Compactação dos vários pós; Sintetização desses pós; Acabamento; A performance A performance das ferramentas constituídas por carbonetos depende grandemente da composição, da micro estrutura e das propriedades dos vários elementos que constituem a ferramenta. Também interessa o tamanho do grão e a quantidade do elemento de sintetização. A tabela seguinte contém as propriedades dos principais constituintes dos carbonetos. Carbide Hardness, HV (50 kg) Melting point Crystal structure C F Modulus of elasticity Theoretical density, g/cm 3 GPa psi 10 6 Coefficient of thermal expansion, m/m K TiC 3000 Cubic VC 2900 Cubic HfC 2600 Cubic ZrC 2700 Cubic NbC 2000 Cubic Cr 3 C Orthorhombic 1800 (a) WC (0001) 2200 (10 0) 1300 Hexagonal 2800 (a) (0001) 5.2 (10 0) 7.3 Mo 2 C 1500 Hexagonal TaC 1800 Cubic

4 Imagens microscópicas da micro - estrutura de alguns carbonetos. C-grade Application category Machining of cast iron, nonferrous, and nonmetallic materials C-1 Roughing C-2 General-purpose machining C-3 Finishing C-4 Precision finishing Machining of carbon and alloy steels C-5 Roughing C-6 General-purpose machining C-7 Finishing C-8 Precision finishing Classificação dos carbonetos sintetizados. Classificação segunda as normas ISO.

5 Fadiga Térmica Por vezes os carbonetos sofrem fracturas perpendiculares ao plano de trabalho. Isto ocorre mais frequentemente nas operações de fresagem devido à existência de ciclos interrompidos de trabalho. Estas fracturas são devido à amplitude de temperaturas que a face da fresa sofre. Fissuras devido à amplitude térmica.

6 Os primeiros revestimentos de ferramentas foram feitos pela deposição química de vapor (CVD). No processo de CVD, as inserções a serem revestidas são colocadas em hidrogénio com o hidrogénio tipicamente em aproximadamente 10% da pressão atmosférica. Os gases que contêm os elementos de revestimento são adicionados à atmosfera e circulados através da fornalha e sobre as inserções. Os revestimentos são formados na superfície das inserções, por reacções químicas entre os gases, dependendo da temperatura das superfícies. As temperaturas típicas para a formação de Tic, TiN e de A 1 O 3 nas superfícies dos carburetos são em torno de 1000 C Equação química do revestimento de ferramentas através de CVD Os revestimentos através de CVD são mais aplicados no torneamento em geral, mais do que em operações acabamento. Adicionalmente, as suas tensões residuais tornam-nos menos capazes de trabalhar em condições intermitentes de corte como ocorrem na fresagem. Os revestimentos do CVD são usados mais em torneamento do que em fresagem. Descarbonização do revestimento TiC. A micro fotografia mostra o inicio da degradação.

7 Vários revestimentos de multi - camadas para carbonetos. Variação da dureza com a temperatura.

8 Vida das ferramentas para vários revestimentos. Análise através de scan - micrográfico de uma ferramenta depois de ser utilizada, enriquecida com cobalto a) e não enriquecida b). O método da Deposição Física de Vapor PVD tornou-se recentemente um processo comercialmente viável para aplicar camadas duras de TiN em aços répidos. Este processo necessita de menores temperaturas que o CVD (entre 500ºC e 900ºC). Também é utilizado em carbonetos cerâmicos devido a vários factores favoráveis entre eles o refinamento do tamanho do grão. O método de aplicação da camada não diminui a tensão transversal de ruptura destas ferramentas.

9 Gráfico comparativo entre a tenacidade de ferramentas revestidas e não revestidas. Exemplo do revestimento PVD de TiN num ângulo da ferramenta apertado. (Etched com Murakami 1140 ) Uma outra vantagem do processo PVD, é a capacidade em criar uma camada uniforme à superfície da ferramenta, mesmo em ângulos apertados. Isto faz com que as forças de corte sejam menores, reduz as temperaturas no vértice e produz acabamentos melhores. Devido ao facto da camada ser depositada a temperaturas menores, a ferramenta não se degrada.

10 Facilmente se compreende que as aparas com um contacto mais prolongado com a ferramenta relativamente à sua espessura pudessem ter raios maiores do que as aparas com tempos de contacto mais curtos. As ligas de cobre e de alumínio, embora mostrem taxas elevadas de dureza, têm tensões de corte relativamente baixas e difusibilidades térmicas elevadas. São propensas a criar baixas tensões na ferramenta e pequenos aumentos de temperatura na máquina. No outro extremo, as ligas de aço, de níquel e titânio têm médias a elevadas tensões de corte bem como uma elevada dureza, tendo no entanto uma difusibilidade térmica baixa. Tendem a gerar tensões e temperaturas elevadas

11 na ferramenta. Os aços de corpo cúbico centrado e os aços de liga encontramse num grupo intermédio. Dureza das ferramentas de corte em função da temperatura Embora os metais puros como o cobre, ferro, níquel e titânio tenham pouca importância comercial no que diz respeito à maquinagem, é interessante descrever como se forma a apara e que forças especificas e ângulos de corte são observados em função da velocidade de corte. O alumínio tem as mais pequenas tensões primárias de corte, seguido pelo cobre, aço, níquel e titânio. As tensões médias estimadas variam entre 0% e 100% (1.0k). Isto colocaria as tensões normais máximas de contacto (que se realizam normalmente entre duas e três vezes a tensão média) na escala k a 3k. As difusibilidades térmicas diferentes dos cinco metais resultam em variações diferentes da temperatura para a mesma velocidade de corte. Os aços carbono, as ligas de NiCr e de Ti diferem das ligas de alumínio e das ligas de cobre. Embora as suas forças específicas, as tensões e as temperaturas da ferramenta (para uma velocidade e uma alimentação semelhante) são significativamente mais elevados. Os esforços máximos na ferramenta ocorrem quando esta ataca o material e representam cerca de 3 vezes mais que o esforço médio da ferramenta durante o corte.

12 Somente os materiais do HSS são tão dúcteis que estão predominantemente acima do rendimento da fronteira de fractura. Os carburetos de grão ultra fino quase alcançam esse estado na temperatura ambiente (e certamente acontece o mesmo a mais altas temperaturas). Entre os materiais cerâmicos, aqueles baseados no nitrato de silicío alcançam uma dureza bem mais elevada do que aqueles baseados no alumina, à excepção dos aluminas reforçados. Entre os aluminas, os aluminas combinados com o Tic (chamado cerâmicos pretos ou aluminas pretos por causa de sua côr), são mais duros do que os aluminas brancos (aluminas sem Tic ou Sic). Actualmente, o diamante policristalino (PCD) e CBN foram desenvolvidos para dureza similar em relação aos aluminas, mas são substancialmente mais duros.

13 Todos os materiais têm uma temperatura máxima acima da qual, por alguma razão, a sua composição ou microestrutura se torna instável. Se essa temperatura for excedida em demasia, o comportamento da ferramenta pode ser descrito como falhando. Secundariamente, abaixo das temperaturas em que esta degradação ocorre, as propriedades mecânicas de uma ferramenta, tais como a dureza e a resistência à fractura, podem variar com temperatura. Geralmente, a redução da dureza de uma ferramenta com temperatura é da importância principal a seu uso. As propriedades térmicas e elásticas mudam, geralmente somente ligeiramente, com temperatura. Temperaturas de oxidação e de mudança de estrutura para vários materiais de corte Para a integralidade da informação, este parágrafo considera como a condutividade térmica, a capacidade calorífica, o módulo de Young e o coeficiente da expansão térmica de materiais da ferramenta mudam com a

14 temperatura. Tais mudanças, na prática, têm somente uma influência menor no desempenho de uma ferramenta. Variação da dureza da ferramenta com a temperatura Os revestimentos feitos por PVD são muito mais lisos do que por CVD e podem ser depositados sobre arestas finas. A experiência mostrou que são mais apropriados para operações de fresagem (por causa das tensões de compressão) e operações de revestimento (por causa da possibilidade de usar ferramentas de arestas finas (abaixo de 10 pm a 20 pm sobre o raio da aresta). A escala de tipos de revestimento não é tão grande quanto o CVD. O TiN foi o 1º tipo de revestimento a ser desenvolvido com sucesso a partir de PVD. Isto foi seguido por Tic e por Ti(C, N); e (o ti, Al)N foi também desenvolvido. Há uma grande dificuldade em gerar revestimentos de A 1 O, com uma forte, coerência na microestrutura. Os carbonetos estão a ser revestidos por PVD. É similar ao CVD na sua produtividade (na sua forma básica, as taxas do deposição são também ao redor 1 pm/hr) mas requer que substratos sejam aquecidos somente a 100 C, para que os revestimentos possam ser depositados sem a necessidade proteger contra mudanças desfavoráveis dos substratos. No contraste ao CVD, em que os elementos metálicos do revestimento são obtidos a partir de gases à pressão atmosférica de sensivelmente 10%, em PVD os elementos metálicos são obtidos a partir de sólidos num câmara de elevado vácuo. Há muitos variantes do processo mas todos envolvem estabelecer uma grande diferença potencial eléctrica (da ordem do Kvolt) entre o substrato e uma fonte contínua de elementos a ser

15 depositados no substrato; e criando um plasma da descarga, tipicamente através de árgon a baixas pressões. d)

16 Os três mais importantes mecanismos de degradação da ferramenta. Dimensão dos diferentes danos mecânicos nas ferramentas. Os danos mecânicos, que incluem a fractura da erosão, lascar, fracturas prematuras e a fadiga, são basicamente independentes da temperatura. Os danos térmicos, com deformação plástica, a difusão térmica e a reacção química com seus formulários típicos, aumentam drasticamente com o aumento da temperatura. (Deve-se fazer anotar que a difusão térmica e a reacção química não são a causa directa dos danos. Em vez disso, fazem com que a superfície da ferramenta seja enfraquecida de modo que a erosão, choque mecânico ou a adesão cause mais facilmente a remoção do material da causa.) Os danos baseados na adesão são observados para ter um máximo local em alguma escala de temperatura.

17 Os danos térmicos reacção química O desgaste devido à reacção química ocorre quando os compostos químicos são formados pela reacção da ferramenta com o material do trabalho (ou com outros materiais, tais como o oxigénio no ar ou o enxofre e o cloro num líquido de corte). O desgaste da oxidação é o mais comum. A ferramenta de corte e/ou o material de trabalho são oxidados; e a superfície da ferramenta, enfraquecida directamente pela oxidação ou pela reacção do material de trabalho oxidado, é então afastado pela pastilha de corte. Um exemplo do desgaste através da oxidação ocorre na face de corte de ferramentas sintetizadas em na fresagem de aço a altas velocidades. Efeito do oxigénio na ferramenta de corte. Neste caso a ferramenta é um carboneto P10 que está a maquinar um aço carbono com 0.45%. (Yamane and Narutaki, 1983). Adesão O terceiro mecanismo de dano é a adesão à pastilha de corte. Ocorre quando o material a trabalhar, solda (adere) à ferramenta através da pressão que se dá geralmente a alta temperatura e tem por isso elevada força de adesão nestas

18 circunstâncias. Os aços inoxidáveis, as super ligas baseadas em Ni e as ligas de Ti mostram bem este comportamento. A temperaturas de corte baixas, há uma baixa tendência da adesão. Em altas temperaturas de corte isso também se verifica. Assim, a tendência para adesão na pastilha é maior em temperaturas intermédias. Os Cerâmicos são definidos como elementos não metálicos e inorgânicos sujeitos a temperaturas durante o processo de manufactura. Normalmente é composto por um óxido metálico ou uma mistura de um material semelhante. Assim os seguintes materiais pertencem à classe dos cerâmicos: WC + Co (Tungsten carbide + cobalt) WC/TiC/TaC + Co (Tungsten carbide/titanium carbide/tantalum carbide + cobalt) TiC + Ni (Titanium carbide + nickel) Ti(C,N) + Ni/Mo (Titanium carbonitride + nickel/molybdenum)

19 Esquema da micro-estrutura do carboneto Existem duas categorias de Cerâmicos: Carboneto de Titânio e Carbonitreto de Titânio. Estes últimos têm vindo a substituir os primeiros devido à sua maior dureza superficial e tensão de ruptura transversal superiores. Relação entre a dureza e o módulo de ruptura para vários materiais de corte. Os cerâmicos utilizados no corte de metais são baseados em Alumina Al 2 O 3 ou em Nitrato de silício (Si 3 N 4 ). Existem no entanto outros compostos, tais como Yttria, Zirconia, Óxido de Crómio, que são utilizados para melhorar a sintetização ou para formar Cerâmicos Compósitos com propriedades Termo Mecânicas melhores.

20 5000. Cortesia de Kennametal Inc. A junção da Alumina com o Carboneto de Titânio foi primeiramente realizada pelos Japoneses na década de 60. Este cerâmico tem uma vasta aplicação na Indústria Cortesia de Kennametal Inc. O Nitrato de Silício é um composto que apresenta um conjunto de propriedades termo mecânicas melhores que a Alumina. As tensões de ruptura são mais elevadas. A condutividade térmica é duas vezes maior enquanto que o coeficiente de expansão térmica é metade do da Alumina. O único problema refere-se aos custos de produção deste cerâmico. Um novo composto chamado SIALON forma-se através da junção de Alumina Al2O3 com Nitrato de Silício Si3N4 (estrutura cristalina hexagonal). Combina as vantagens do Nitrato de Silício com um preço menor devido à utilização da Alumina.

21 Energias de formação livre para vários materiais a várias temperaturas. Quanto menor for a energia de formação, menor será a reactividade. Análise micrográfica de uma ferramenta cerâmica SIALON. 10,000. Cortesia de Kennametal Inc. O arrefecimento rápido produz uma micro-estrutura de grãos de β-sialon com uma outra fase intergranular.

22 Dureza medida na escala Vickers em relação à temperatura. Embora os materiais cerâmicos sejam os mais duros e os que permitem trabalhar a temperaturas mais elevadas, têm algumas desvantagens em relação aos carbonetos. Estas situam-se ao nível das tensões tranversais de corte, uma menor resistência à fadiga e menor resistência ao choque. Nem todos os materiais podem ser maquinados com cerâmicos. Estes materiais são mais utilizados no corte de aços, ferro fundido, super ligas de níquel bem como outras ligas não ferrosas. Alguns cerâmicos não permitem trabalhar alguns materiais devido à sua reactividade química com o material da peça. É o caso das ligas de Titânio, Alumínio ou Aço Inoxidável as quais não podem ser maquinadas economicamente. Estes compostos são indicados para trabalhar materiais como Aço rápido e carbonetos assim como outros materiais para ferramentas de corte. O Diamante Poli Cristalino e o CBN (Cubic Boron Nitride) são os dois materiais mais duros existentes. Têm como semelhanças a estrutura cristalográfica e uma elevada condutividade térmica. No entanto existem diferenças. O diamante oxida no ar e reage com ligas ferrosas a temperaturas não elevadas. O CBN é termicamente estável tanto no ar como em contacto com ligas ferrosas. Assim, para cada material existem aplicações específicas.

23 O Diamante é utilizado para maquinar ligas não ferrosas, tais como: Ligas de alumínio Ligas de cobre Plásticos abrasivos Fibras de vidro e de carbono Carbonetos de tungsténio Pedra O CBN é utilizado para trabalhar materiais ferrosos, tais como: Ferramentas de aço Ferro fundido Ligas com muita dureza superficial Ligas com tratamentos térmicos de endurecimento. Esquema da sintetização do CBN Para formar o diamante poli cristalino é necessário elevar o material a enormes pressões e temperaturas para que sintetize o carbono de forma a criar uma estrutura de muito elevada dureza. Para sintetizar CBN faz-se reagir os elementos Boro e Nitrogénio (Azoto) em laboratório segunda a equação química: BCl 3 + NH 3 BN + 3HCl Na qual o componente BN tem uma estrutura grafítica hexagonal com o mesmo número de átomos de Boro e Nitrogénio.

24 Diversos formatos para pastilhas formadas por Diamante policristalino e CBN. Propriedades Mecânicas, Físicas e Térmicas Density Compressive strength Fracture toughness Knoop hardness Tool material kg/m 3 lb/ft 3 GPa psi 10 6 MPa ksi GPa psi 10 6 Al 2 O Al 2 O 3 + TiC Sialon Tungsten carbide (K10) PCBN (a) (Amborite) PCD (b) (Syndax3) PCD (c) (Syndite 010) Single-crystal diamond PCBN (d) (DBC50) Tool Material Young's modulus GPa psi 10 6 GPa Modulus of rigidity psi 10 6 GPa Bulk modulus psi Poisson's 10 6 ratio, v Coefficient of thermal expansion, 10-6 /K W/m K Thermal conductivity Btu/ft h F Al 2 O Al 2 O 3 + TiC Sialon Tungsten carbide (K10) PCBN (a) (Amborite) PCD (b) (Syndax3)

25 PCD (c) (Syndite 010) Single-crystal diamond PCBN (d) (DBC50) (e) 1160 (b) Gráfico de temperaturas na ferramenta em relação ao material da peça e à velocidade de corte. Funções principais do fluido de corte: Lubrificação: O fluido de corte aumenta a vida da ferramenta e permite velocidades de corte mais elevadas ao reduzir a quantidade de atrito. Arrefecimento: O fluido de corte reduz a temperatura durante o processo de remoção do material. Detergentes: Os componentes do fluido substituem os ácidos que se formam, impedindo a sua deposição na peça. Corrosão: Actua como inibidor de corrosão.

26 Specification D 88 D 92 D 94 D 129 D 130 D 808 D 811 D 892 D 893 D 1317 D 1479 D 1662 D 1748 D 3601 D 3705 D 3946 Normas ASTM para o controlo dos fluidos de corte Saybolt viscosity Topic Flash and fire points by Cleveland open cup Saponification number of petroleum products Sulfur in petroleum products (general bomb method) Detection of copper corrosion from petroleum products by the copper strip tarnish test Chlorine in new and used petroleum products (bomb method) Chemical analysis for metals in new and used lubricating oils Foaming characteristics of lubricating oils Insolubles in used lubricating oils Chlorine in new and used lubricants (sodium alcoholate method) Emulsion stability of soluble cutting oils Active sulfur in cutting fluids Rust protection by metal preservatives in the humidity cabinet Foam in aqueous media (bottle test) Misting properties of lubricating fluids Evaluating the bioresistance of water-soluble metal working fluids Viscosidade É a propriedade de maior importância na lubrificação. Este factor determina as características de escoamento e penetração, bem como de espessura do filme de lubrificação.