COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO DE FERRAMENTAS DE CERÂMICA NO FACEAMENTO DE FERRO FUNDIDO NODULAR NO ESTADO ENDURECIDO

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1 14 PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA AUTOR: JOSÉ SEBASTIÃO DOS REIS SILVA COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO DE FERRAMENTAS DE CERÂMICA NO FACEAMENTO DE FERRO FUNDIDO NODULAR NO ESTADO ENDURECIDO São João Del Rei, 2012.

2 JOSÉ SEBASTIÃO DOS REIS SILVA COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO DE FERRAMENTAS DE CERÂMICA NO FACEAMENTO DE FERRO FUNDIDO NODULAR NO ESTADO ENDURECIDO Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Universidade Federal de São João Del-Rei, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Área de Concentração: Materiais e Processos de Fabricação Orientador: Prof. Dr. Durval Uchôas Braga São João Del Rei, 2012.

3 S586c Silva, José Sebastião dos Reis Comparação do desempenho de ferramentas de cerâmica no faceamento de ferro fundido nodular no estado endurecido [manuscrito] / José Sebastião dos Reis Silva f. ; il. Orientador: Durval Uchôas Braga Dissertação (mestrado) Universidade Federal de São João del-rei. Departamento de Engenharia Mecânica. Referências: f Torneamento Teses 2. Ferro fundido Teses 3. Cerâmica - Teses 4. Engenharia mecânica Teses I. Braga, Durval Uchôas (orientador) II. Universidade Federal de São João del-rei. Departamento de Engenharia Mecânica III. Título CDU: 621.9

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5 Dedicatória A minha esposa Simone F. M. Silva aos meus filhos, João Gabriel e Simone Maria, pelo amor, incentivo, paciência, compreensão, companheirismo e carinho a mim dispensado. Aos meus pais e irmãos que me ajudaram em minha formação e sempre me incentivaram no meu desenvolvimento contínuo e nas minhas conquistas.

6 Agradecimentos Agradeço a Deus, pois sem ele nada somos e nada conseguimos. Ao meu Amigo e Orientador, Prof. Dr. Durval Uchôas Braga pela amizade, paciência, motivação, pela sua capacidade de interpretar, orientar, de me direcionar e me fazer crescer como estudante, desde a época do curso superior e agora nesta nova etapa como Mestrando / Professor/ Engenheiro, me ajudando a superar os desafios e obstáculos encontrados. Ao Prof. Dr. Frederico Ozanan Neves que nos ajudou muito no desenvolvimento das análises estatísticas. À empresa Gerdau Açominas pelo incentivo dando-me a oportunidade de ausentarme em alguns momentos do desenvolvimento efetivo de minha função para o desenvolvimento e conclusão do Mestrado. À empresa Sandi Ferramentas, na pessoa do Sr. Janio Ferreira, representante da empresa Sandvik do Brasil, pelo apoio e ajuda no desenvolvimento dos ensaios experimentais. Aos colegas de mestrado Rodrigo Barbosa, Robson Bruno, Décio Alves, Elifaz, que me ajudaram a desenvolver os trabalhos em várias áreas durante o mestrado. A todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia Mecânica da UFSJ, que direto ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.

7 EPÍGRAFE Além disso, irmãos, tudo o que é verdadeiro, tudo o que é nobre, tudo o que é justo, tudo o que é puro, tudo o que é amável, tudo o que é de boa fama, tudo o que é virtuoso e louvável, eis o que deve ocupar vossos pensamentos. Filipenses 4:8 BÍBLIA SAGRADA

8 Resumo O desempenho de um processo de usinagem, seja ele por torneamento ou não, depende de vários fatores, tais como: usinabilidade dos materiais, potência e rigidez dos equipamentos, material, geometria da ferramenta de corte, processo de formação de cavacos, refrigeração, entre outros. Este trabalho tem como objetivo comparar o desempenho de duas ferramentas de cerâmica na usinagem em faceamento de cilindros de ferro fundido nodular no estado endurecido com dureza variando entre 60 a 75 Shore C. Os testes foram realizados em um torno ROMI UT 42A CNC de grande porte, utilizando inserto SNGN à base de Nitreto de Silício (Si 3 N 4 ) na cor preta, inserto à base de Óxido de Alumínio (Al 2 O 3 ) mais Carbonitreto de titânio (TiCN) na cor Cinza e inserto branco em óxido de Alumínio (Al 2 O 3 ) + Óxido de Zircônio (ZrO 2 ) que foi descartado por fratura durante os testes. A variável de resposta do processo foi o desgaste e/ou avaria da ferramenta cerâmica. Primeiramente desenvolveram-se pré-testes para avaliar se havia variação da dureza nos sentidos longitudinal e transversal do cilindro. Os resultados obtidos através modelo estatístico fatorial com 5% de significância mostraram não haver influência na dureza no sentido longitudinal. Porém, observou-se redução da dureza no sentido radial em direção ao centro do cilindro. Como cada ensaio foi realizado em único passe da ferramenta em faceamento, este fato não invalidou a análise dos resultados que, qualitativamente, pôde-se observar uma melhor performance do inserto na cor preta em cerâmica a base de nitreto de silício (Si 3 N 4 ) comparado com aquele na cor cinza à base de Óxido de Alumínio (Al 2 O 3 )mais Carbonitreto de titânio (TiCN). Palavras-chave: Torneamento, ferro fundido, cerâmica, desgaste da ferramenta.

9 Abstract The performance of a machining process, either by turning or not, depends on many several factors such as: machinability of materials, power and stiffness of the equipment, material, cutting tool geometry, chip formation process and cooling, and others. This study aims to compare the efficiency of two ceramic tools in face milling machining of nodular cast iron rolls at the hardened state and hardness range between 60 and 75 Shore C. The tests were performed on a ROMI UTC-42A lathe using SNGN black color insert made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), gray color insert made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and titanium carbonitride (TiCN) and white color insert made of aluminum oxide(al 2 O 3 ) + zirconium oxide (ZrO 2 ) which was discarded due to fracture during the tests. The process response variable was the wear and/or damage of the ceramic tool. First pre-tests were developed to evaluate whether there were variation of the hardness in the longitudinal and transversal directions in the roll. The results obtained by the statistical model factor of 5% of demonstrated no effect on the hardness in the longitudinal direction. However, there was a reduction in hardness in a radial direction toward the center of the roll. As each test was performed in a single pass of the tool face milling, this fact did not invalidate the analysis of the results that, qualitatively, one could observe a better performance of the black color ceramic insert made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) when compared to the gray one made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and titanium carbonitride (TiCN). Keywords: Turning, cast iron, ceramic, tool wear.

10 Lista de Ilustrações Figura 1-a) Ferro fundido cinzento, b) ferro fundido vermicular, c) Ferro fundido nodular e d) Ferro fundido branco Figura 2- Exemplo da modificação da microestrutura pela modificação da composição química. Efeito da adição de elementos nodulizantes (ASM MetalsHandbook, Vol. 9, 2004) Figura 3- Grandezas do processo de usinagem por torneamento Figura 4 Torneamento radial - Faceamento Figura 5-Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma ferramenta de torneamento (fonte: DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008) Figura 6- Planos dos sistemas de referência da ferramenta (fonte: DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008) Figura 7-Ângulos da ferramenta de corte medidos (a) no plano de referência da ferramenta e (b) no plano ortogonal (fonte: DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008) Figura 8 Faceamento de material com os ângulos de folga (á), de cunha (â) = corte da ferramenta e de saída (γ). (fonte: DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008) Figura 9- Divisão de materiais cerâmicos para ferramentas de corte, Mundo da Usinagem Sandvik (2002) Figura 10- Torno ROMI UT 42A CNC Figura 11- Suporte especial código R26, (a) e (b) Adaptador Capto C8X- ASHA M Figura 12- Durômetro de impacto modelo Figura 13- Microscópio Mitutoyo TM-500 com câmera Moticam Figura 14- Perfil do corpo de prova para os ensaios Figura 15- Corpo de prova para os ensaios Figura 16- Montagem das ferramentas cerâmicas dos ensaios Figura 17- Pontos de coletas de dados no corpo de prova Figura 188- Dureza versus passes axiais Figura 199- Dureza versus passes radiais Figura 20- Dureza versus passes radiais e axiais da ferramenta... 48

11 Lista de Tabelas Tabela 1: Comparação da formação de cavacos entre aços e ferro fundidos (KLOCKE & KLÖPPER, 2006) Tabela 2- Configuração do torno ROMI UT 42A Tabela 3 Composição química do corpo de prova em ferro fundido nodular Tabela 4 Resultados da dureza após os ensaios experimentais Tabela 5- ANOVA para a variável dureza (Shore) e os fatores ferramentas (i=2), passes (j=4) e raios (k=3) Tabela 6 - Ensaio 1 comparando as arestas da superfície de saída em relação aos insertos Tabela 7 - Ensaio 2 comparando as arestas da superfície de saída em relação aos insertos Tabela 8 - Ensaio 1 comparando as arestas da superfície de folga principal em relação aos insertos Tabela 9- Ensaio 2 comparando as arestas da superfície de folga principal em relação aos insertos Tabela 10- Ensaio 1 comparando as arestas da superfície de folga secundária em relação aos insertos Tabela 11- Ensaio 2 comparando as arestas da superfície de folga secundária em relação aos insertos

12 SUMÁRIO CAPÍTULO INTRODUÇÃO CAPÍTULO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Ferros Fundidos Tipos de Ferro Fundido Ferro Fundido Cinzento Ferro Fundido Branco Ferro Fundido Mesclado Ferro Fundido Maleável Ferro Fundido Vermicular Ferro Fundido Nodular: CAPÍTULO USINABILIDADE DOS FERROS FUNDIDOS CAPÍTULO OPERAÇÃO DE TORNEAMENTO Ferramenta monocortante Cavacos Fluidos de corte Classificação dos fluidos de corte Ferramentas Cerâmicas Propriedades dos insertos cerâmicos Resistência às reações químicas Resistência ao choque térmico Dureza Base de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) Cerâmica pura, branca ou oxida Alumina reforçada com whiskers de SiC Cerâmica a base de nitreto de silício (Si3N4)... 36

13 Sialon CAPÍTULO PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Equipamentos utilizados Caracterização dos corpos de prova CAPÍTULO METODOLOGIA CAPÍTULO RESULTADOS E ANÁLISE Pré-teste de dureza Teste comparativo de insertos CAPÍTULO CONCLUSÕES CAPÍTULO PROPOSTA DE TRABALHOS FUTUROS CAPÍTULO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 54

14 CAPÍTULO 1 1. INTRODUÇÃO Atualmente, o processo de fabricação por torneamento em cilindros de laminação de ferro fundido é um tema de constante estudo pelos pesquisadores, pelos fabricantes de cilindros, pelos fabricantes de ferramentas de corte ou até mesmo pelos próprios clientes que utilizam cilindros de laminação, com o foco em aumentar a vida destes. Os clientes dos produtos laminados como chapas, fio-máquina, perfis, barras, placas, tarugos, entre outros, estão com exigências por tolerâncias dimensionais e geométricas, cada vez mais apertadas. Para que estas tolerâncias sejam atendidas viavelmente, depende-se diretamente do desenvolvimento de materiais com camadas ainda mais endurecidas, estas camadas devem resistir o máximo possível, aos esforços, aos desgastes, às deformações geradas durante o processo, às variações de temperatura, sem danificar os produtos laminados. O torneamento é uma dentre várias operações empregada em trabalhos experimentais de usinagem. No processo de torneamento de cilindros de laminação, o cilindro é geralmente disposto entre pontos rotativos e preso em uma das extremidades por um dispositivo, composto por castanhas de fixação, este, por sua vez, quando acionado, gira em torno de seu próprio eixo. O inserto, fixado a um porta-ferramenta, se movimenta a uma velocidade ao longo do eixo da peça, e em contato com o cilindro, remove camadas de metal, formando uma superfície com a forma desejada ao processo de laminação. A otimização dos parâmetros de usinagem de acordo com a seleção adequada do inserto tem sido uma das principais alternativas empregadas pela tecnologia atual. Para definir o melhor inserto deve-se considerar o material que está sendo usina.

15 Em sistemas produtivos e com grandes máquinas operatrizes, há a necessidade de desenvolvimento de ferramentas que tenham desempenho cada vez melhor para trabalhos pesados, com peças de grandes diâmetros, com peso em toneladas, altas durezas e sem refrigeração. Outro agravante é o ambiente de trabalho das máquinas, os quais, geralmente são ambientes agressivos, com pós-metálicos, partículas em suspensão geradas no processo de torneamento de ferro fundido, sem refrigeração. Esse é um dos cenários típicos de operações de usinagem pesada. Considerando o exposto acima, desenvolveu-se a pesquisa com o objetivo comparar o desempenho de duas ferramentas de cerâmica na usinagem em faceamento de cilindros de ferro fundido nodular no estado endurecido, dureza variando entre 60 a 75 Shore. CAPÍTULO 2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Ferros Fundidos Juntamente com os aços, os ferros fundidos são os materiais mais utilizados pela indústria, sendo aplicados em diversos setores, não só devido às suas características inerentes, mas como também sua imensa versatilidade. Podem apresentar diversas características mecânicas dependendo dos elementos de liga presentes ou do tratamento térmico submetido. Ferro fundido é a liga ferro-carbono-silício, que apresenta teores de carbono geralmente acima de 2,0 %, em quantidade superior à que pode ser retida em solução sólida na austenita, de modo a resultar carbono parcialmente livre, na forma de veios ou lamelas de grafita. (CHIAVERINI, 1990, APUD TELLES, 2007)

16 16 As propriedades mecânicas como resistência, ductilidade e módulo de elasticidade dependem fortemente da estrutura, da distribuição dos constituintes microestruturais e as propriedades físicas, como condutividade térmica é fortemente influenciada pela microestrutura. Em qualquer ferro fundido, a característica microestrutural de efeito significante nessas propriedades é a presença de grafita pura. Dentre as ligas ferro-carbono, os ferros fundidos constituem um grupo de ligas de importância fundamental para a indústria, pois mediante a introdução de elementos de liga e de aplicação de tratamentos térmicos adequados, tornou-se possível o emprego do ferro fundido nodular em aplicações antes exclusivas dos aços (CHIAVERINI, 1990) Tipos de Ferro Fundido Tem-se vários tipos de ferro fundido, cada um apresentando características bem distintas. Um estudo detalhado da aplicação, as propriedades mecânicas desejadas são fundamentais para a escolha correta do tipo de ferro fundido a ser empregado. Segue os principais tipos de ferro fundido utilizado em indústria Ferro Fundido Cinzento Apresenta como elementos de liga fundamentais o carbono e o silício. Neste material, uma parcela relativamente grande do carbono apresenta-se no estado livre (grafita lamelar) e outra parcela no estado combinado Fe 3 C (cementita) Ferro Fundido Branco Apresenta como elemento de liga fundamental o carbono e o silício. Devido às condições de fabricação e menor teor de silício, apresenta o carbono quase inteiramente na forma combinada (Fe 3 C).

17 Ferro Fundido Mesclado Caracterizado igualmente por uma mescla de proporções variáveis de ferro fundido branco e ferro fundido cinzento Ferro Fundido Maleável Obtido a partir do ferro fundido branco mediante um tratamento térmico (maleabilização) resultando numa transformação de praticamente todo o ferro combinado (Fe 3 C) em grafita na forma de nódulos Ferro Fundido Vermicular Ferro fundido de comercialização recente. Também chamado de ferro fundido de grafita compactada ou semi-ondular. A presença de titânio reduz a formação de grafita esferoidal. Este material é intermediário entre o ferro fundido cinzento e ferro fundido nodular. Possui a fundibilidade do ferro fundido cinzento com melhor resistência mecânica e alguma ductibilidade. Figura 1-a) Ferro fundido cinzento, b) ferro fundido vermicular, c) Ferro fundido nodular e d) Ferro fundido branco.

18 Ferro Fundido Nodular: Caracterizado por apresentar, devido um tratamento realizado ainda no estado líquido, carbono livre na forma de grafita esferoidal, o que confere ao material característica de boa ductilidade, daí a denominação frequentemente para esse material de ferro fundido dúctil. O ferro fundido nodular ou dúctil caracteriza-se pela sua ductilidade, tenacidade e resistência mecânica. Seu limite de escoamento é mais elevado, comparado com o ferro fundido cinzento, e apesar de mais alta pressão específica de corte e resistência, apresenta boa usinabilidade (CHIAVERINI, 1990). Segundo Boehs (2000), a grafita presente na microestrutura dos ferros fundidos contribui para a boa usinabilidade, tanto pelo fator lubrificação da ferramenta quanto pela descontinuidade que produz na micro-estrutura e, com isto, a ruptura do cavaco em pequenos segmentos, independentemente do processo de usinagem. Figura 2- Exemplo da modificação da microestrutura pela modificação da composição química. Efeito da adição de elementos nodulizantes (ASM MetalsHandbook, Vol. 9, 2004).

19 CAPÍTULO 3 3. USINABILIDADE DOS FERROS FUNDIDOS A usinabilidade pode ser definida como uma grandeza comparativa e expressa num conjunto de propriedades de usinagem de um material, isto é, o grau de dificuldade de usinar um determinado material. A usinabilidade depende de uma série de condições intrínsecas ao material, tais como o estado metalúrgico da peça, da dureza, das propriedades mecânicas do material, de sua composição química, das operações anteriores efetuadas sobre ele. Mas também de condições de usinagem, das características da ferramenta, das condições de refrigeração, da rigidez do sistema máquina-ferramenta, operação empregada, corte contínuo ou intermitente, condição de entrada e saída da ferramenta, etc. (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008) Genericamente, os ferros fundidos são tidos como materiais que apresentam uma boa usinabilidade, principalmente os cinzentos e nodulares de menor dureza e resistência (BOEHS, 2000). O ferro fundido é um material onde a ocorrência e a distribuição de seus constituintes define sua usinabilidade. Esta não é explicada simplesmente pela composição química, por ensaios de dureza ou de ruptura à tração, destacando-se a microestrutura como sendo um dos principais fatores a influenciar a vida da ferramenta. A dureza é um bom indicador da microestrutura e também da usinabilidade, porém esta não é uma condição suficiente, como já dito, pois diferentes microestruturas podem ter diferentes propriedades de usinagem apresentando, contudo, a mesma dureza.

20 20 A influência dos microconstituintes mais comuns na usinabilidade dos ferros fundidos, segundo Silveira (1983), pode ser resumida da seguinte forma: - Grafita: A presença de grafita no ferro fundido é de suma importância no estudo da usinabilidade, por ser o elemento que determina as propriedades mecânicas. A grafita cria descontinuidades na matriz facilitando com isto a ruptura do cavaco. Além disso, atua como lubrificante sólido e impede a soldagem do material à ferramenta reduzindo a formação de aresta postiça de corte e, também, as forças de corte. - Ferrita: Trata-se do ferro no estado alotrópico alfa, contendo traços de carbono. Apresenta uma estrutura de grãos poligonais irregulares. A matriz ferrítica pode ser obtida no estado bruto de fundição em alguns tipos de ferro. Com dureza entre 100 a 150 HB, é o microconstituinte de melhor usinabilidade, excetuando-se apenas os casos em que se encontra fortemente ligado com cromo, silício e alumínio. Com exceção da grafita, a ferrita apresenta mais baixa dureza em relação a outros constituintes do ferro fundido. - Perlita: É um microconstituinte comum nos ferros fundidos, de média resistência e dureza, com propriedades mecânicas intermediárias entre a ferrita e a cementita. A matriz perlítica combina muito bem sua boa resistência a ruptura e a abrasão com uma boa usinabilidade. Sua dureza se situa entre 150 e 350 HB. A perlita fina é mais resistente e menos usinável, enquanto que a perlita grossa é menos resistente e tem melhor usinabilidade. Nos ferros fundidos, o carbono que combina com a perlita é função da taxa de esfriamento (SILVEIRA, 1983). - Steadita É um constituinte de natureza eutética, compreendendo partículas de fosfeto de ferro (Fe 3 P) e carboneto de ferro (Fe 3 C). Ocorre em áreas interdendríticas, formando uma segregação, pois essas áreas são as últimas que solidificam. A steadita é dura e quebradiça, influenciando de maneira prejudicial à usinabilidade, melhorando a resistência ao desgaste.

21 21 - Cementita: Carbonetos livres, ou carboneto de ferro (Fe 3 C), se caracteriza pela sua elevada dureza, chegando a 800 HB ou mais. Mesmo em proporção muito pequena, reduz acentuadamente a usinabilidade, acentuando o desgaste da ferramenta, principalmente para altas velocidades, por se tratar de um constituinte altamente abrasivo. - Austenita: Possui baixa condutibilidade térmica e maior tenacidade. Sua presença implica no aumento da velocidade de corte, ângulos de saídas maiores e cuidados especiais com refrigeração e lubrificação (SANTOS et al, 2003). A austenita está presente somente nos ferros fundidos com altos teores de Ni, Cu e Mn. A dureza deste microconstituinte é de 120 a 160 HB (SILVEIRA, 1983). Os elementos de liga interferem, também, diretamente na usinabilidade. A determinação da influência dos elementos de liga que compõem os ferros fundidos é bastante difícil, tendo em vista três fatores: a reação entre si desses elementos, seu efeito na microestrutura e a taxa de resfriamento do material na sua fabricação. O efeito dos elementos químicos mais comuns sobre a usinabilidade dos ferros fundidos pode ser assim analisado: - Carbono e Silício: O carbono e o silício são os principais elementos de liga. O carbono determina a quantidade de grafita e o silício é um poderoso elemento de grafitização, ou seja, promove a decomposição do carbono combinado (Fe 3 C) em ferro e carbono, melhorando, assim, sua usinabilidade. - Manganês e enxofre: O efeito do enxofre deve ser analisado em conjunto com o teor de manganês no ferro fundido. Quando se forma sulfeto de manganês, o enxofre promove a redução da matriz perlítica. Obtém-se um ganho expressivo na vida da ferramenta quando se faz variar à percentagem de sulfeto de manganês, com teores de enxofre entre 0,02 para 0,12 %. Supõe-se que esse aumento seja consequência do efeito lubrificante adicional proporcionado pelos sulfetos de

22 manganês, reduzindo o atrito e consequentemente a temperatura de corte. A presença de uma quantidade maior de enxofre se traduz na formação de maior número de sulfetos que são responsáveis pela ruptura do cavaco em pequenos fragmentos. - Fósforo: Não apresentam uma ação muito significativa do ponto de vista de tendência a grafitização. O fósforo é um estabilizador de carboneto de ferro. Atua na estrutura do material formando com o ferro e o carbono, carboneto de ferro e fosfeto de ferro, de aparência branca e perfurada, chamada steadita. Outros elementos também podem ser encontrados nos ferros fundidos, tais como: Alumínio, Antimônio, Boro, Cromo, Cobre, Manganês, Molibdênio, Níquel, Telúrio, Estanho, Titânio, Vanádio e Nióbio. CAPÍTULO 4 4. OPERAÇÃO DE TORNEAMENTO No torneamento, a peça presa na placa do torno gira em torno de seu próprio eixo. A ferramenta (inserto) é rigidamente presa no porta-ferramenta. Esse conjunto se movimenta com avanço constante ao longo da geratriz da peça, removendo uma camada de metal para formar um cilindro ou uma superfície de formato mais complexo (TRENT & WRIGHT, 2000). Na figura 3 temos algumas grandezas influentes do processo de torneamento observados no plano de referência da ferramenta. O processo de torneamento gera formas cilíndricas em uma peça, com o auxílio de uma ferramenta de corte usinando com uma única aresta e na maioria dos casos, a ferramenta é fixa e a peça que sofre a rotação.

23 23 Figura 3- Grandezas do processo de usinagem por torneamento. O ângulo de posição da aresta principal de corte ( r) é o ângulo entre a aresta principal de corte em graus ( ) e a direção de avanço medido no plano de referência da ferramenta; a profundidade de corte (ap) é a profundidade ou largura de penetração da ferramenta em relação à peça em mm; o avanço (f) é o percurso de avanço em cada volta da ferramenta em mm/rotação (mm/rot); a largura de usinagem (b) é a largura calculada da secção transversal de corte em mm, sendo idêntica ao comprimento efetivo da aresta de corte;a espessura de corte (h) é a espessura calculada da seção transversal de corte em mm. A velocidade de corte (vc) é definida pela rotação da peça e é medida em metros por minuto (m/min). Já a velocidade de avanço (vf) é determinada pelo movimento de avanço da ferramenta e é medida em milímetros por minuto (mm/min). Segundo a norma NBR , os conceitos básicos de torneamento são: Torneamento é um processo mecânico de usinagem destinado a obter superfícies através de rotações com a ajuda de uma ou mais ferramentas monocortantes. Para isso a peça rotaciona em torno do eixo principal de rotação da

24 máquina e a ferramenta se desloca simultaneamente segundo uma trajetória coplanar com o referido eixo. Pode ser dividido em retilíneo ou curvilíneo. 24 O torneamento retilíneo é um processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea, podendo ser: cilíndrico, cônico, radial e perfilamento. O processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória paralela ao eixo principal de rotação da máquina chama-se torneamento cilíndrico, podendo ser externo ou interno. Entende-se que o torneamento cônico é o processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea, inclinada em relação ao eixo principal de rotação da máquina e também pode ser externo ou interno. No processo de torneamento radial a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea, perpendicular ao eixo principal de rotação da máquina. Quando o torneamento radial visa à obtenção de uma superfície plana é denominado faceamento (Figura 4). Quando o torneamento radial visa à obtenção de um entalhe circular é denominado sangramento radial conforme Diniz; Marcondes; Coppini (2008). O perfilamento é um processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea radial ou axial, visando à obtenção de uma forma definida, determinada pelo perfil de uma ferramenta. Em relação ao torneamento curvilíneo, entende-se que é o processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória curvilínea.

25 25 Figura 4 Torneamento radial - Faceamento 4.1. Ferramenta monocortante Ferramentas monocortantes são aquelas que contêm apenas uma parte cortante ou elemento responsável pela geração de cavacos. O torneamento é um exemplo de operação que utiliza tais ferramentas. A figura 5 ilustra as características básicas de uma ferramenta de monocortante. Figura 5-Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma ferramenta de torneamento (fonte: DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). A superfície de saída (Aγ) é aquela na qual o cavaco flui. As superfícies de folga (Aα e A`α) são aquelas que não entram em contato com a peça. As arestas de

26 corte são responsáveis pela realização do corte, sendo a principal aquela que entra em contato com a peça usinada de forma efetiva e, portanto, a maior responsável pela ação de corte. 26 A figura 6 ilustra os planos do sistema de referência da ferramenta, os quais são essenciais para determinação dos ângulos da ferramenta. Figura 6- Planos dos sistemas de referência da ferramenta (fonte: DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Os ângulos da ferramenta monocortante são mostrados na figura 7, onde r é o ângulo de posição da ferramenta; r é o ângulo de posição secundário da ferramenta; o é o ângulo de saída ortogonal; o é o ângulo de folga ortogonal; o é o ângulo de cunha ortogonal e r é o ângulo de ponta da ferramenta, todos dados em graus ( ).

27 27 Figura 7-Ângulos da ferramenta de corte medidos (a) no plano de referência da ferramenta e (b) no plano ortogonal (fonte: DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Na figura 8 se mostra os ângulos de folga ou incidência (α), de cunha (β) e de saída (γ) medidos no plano perpendicular à aresta principal de corte passando no ponto de referência D. Pode-se observar que o somatório destes é igual a 90. Figura 8 Faceamento de material com os ângulos de folga (á), de cunha (â) = corte da ferramenta e de saída (γ). (fonte: DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Segundo Diniz; Marcondes; Coppini, (2008); Stemmer (1989), as principais propriedades que um material de ferramenta deve apresentar são:

28 28 - Dureza; - Tenacidade; - Resistência ao desgaste; - Resistência a compressão; - Resistência ao cisalhamento; - Boas propriedades mecânicas e térmicas a altas temperaturas; - Resistência ao choque térmico; - Inércia química. Estas propriedades não estão listadas em ordem de importância, até porque as qualidades necessárias à ferramenta podem variar bastante com a operação de usinagem, com o material a ser usinado e com os parâmetros de corte. Porém, de um modo geral, pode-se dizer que as mais importantes são a dureza e a tenacidade. O processo de seleção da ferramenta deve-se considerar os seguintes fatores: a) Geometria da ferramenta: forma do inserto (quadrada, triangular, etc), ângulos (folga, saída, posição, etc). b) Condição da aresta de corte: aresta de corte viva, chanfrada ou arredondada ( honning ). Atualmente tem-se disponível no mercado uma grande quantidade de materiais para ferramentas de corte: Com base nas características químicas, os principais materiais podem ser agrupados da seguinte maneira: aço rápido, aço rápido com cobertura, metal duro, metal duro com cobertura, cerâmica, nitreto cúbico de boro (CBN) e diamante (PCD), de acordo com Diniz; Marcondes; Coppini (2008). O metal duro é o principal material para ferramenta de corte, segundo KOELSCH (2000). A ascendência do metal duro predominou nos últimos anos devido à evolução das classes que podem suportar o calor e a abrasão do corte a altas temperaturas e a usinagem de materiais difíceis de usinar. As ferramentas de

29 corte tornaram-se mais robustas e precisas. Isto foi conseguido principalmente através de quatro avanços tecnológicos: diminuição do tamanho de grão, melhores ligantes, gradientes de concentração de cobalto e a grande evolução dos tipos de revestimento. Estes avanços melhoraram a resistência ao desgaste, à tenacidade e a dureza a quente Cavacos Sobre o processo de formação de cavacos na usinagem de ferro fundido têmse algumas particularidades, conforme tabela 1. Em contrapartida à usinagem do aço, ocorrem menores solicitações mecânicas e consequentemente, menores solicitações térmicas. Porém, estas solicitações são distribuídas em uma pequena zona e oscila com a frequência da segmentação dos cavacos (KLOCKE & KLÖPPER, 2006 APUD TELES, 2007) Teles (2007) cita Klocke e Klöpper (2006) explicando que durante a usinagem do ferro fundido nodular, o cavaco é diretamente influenciado pela forma da grafita, ocorrendo baixas solicitações mecânicas e, respectivamente, menores solicitações térmicas quando se compara com a usinagem dos aços. Porém, estas solicitações são distribuídas em uma pequena zona e oscila com a frequência da segmentação dos cavacos A tabela 1 temos algumas características típicas da formação de cavaco na usinagem do aço e ferro fundido. O maior consumo de energia na usinagem ocorre nas regiões de deformação. Por isso, os problemas práticos e econômicos relativos ao processo, como a taxa de remoção, formação de aresta postiça, desgaste da ferramenta de corte, acabamento superficial, quebra do cavaco, vibrações, comportamento da força de usinagem e temperaturas são diretamente relacionadas com a formação do cavaco. A busca de soluções para esses problemas requer a compreensão do comportamento de fratura do material quando sujeito a elevada quantidade de deformação plástica, da forma como este volume deformado transforma-se em cavaco e, por sua vez, movimentase sobre a face da ferramenta de corte, (TRENT, 1991).

30 Tabela 1: Comparação da formação de cavacos entre aços e ferro fundidos (KLOCKE & KLÖPPER, 2006). CAVACOS CONTÍNUOS CAVACOS DESCONTÍNUOS 30 Típico para materiais dúcteis (aço) Típico para ferros fundidos com grafita nodular Compressões descontínuas e Processo de cisalhamento contínuo. processo de formação de trincas (grafita: defeito interno). Solicitação térmica e mecânica uniforme. Reduzido, mas com solicitação mecânica oscilante. Transmissão de força através da zona de cisalhamento e distribuição sobre toda a zona de contato do cavaco Pouca transmissão de força através da zona de cisalhamento e, portanto, zona de contato do cavaco pequena. O processo de corte no torneamento inicia-se quando a ferramenta penetra na peça, fazendo com que uma pequena porção do material seja deformada elástica e plasticamente, aumentando as tensões até que ocorra o cisalhamento do material e este escoe sobre a superfície da face da ferramenta, formando o cavaco. Na usinagem do ferro fundido, o cavaco é influenciado pela forma da grafita. No ferro fundido nodular, a grafita na forma de nódulos é deformada pela ação compressiva da ferramenta, antes da separação do cavaco. Esta microestrutura permite o escoamento e a ductilidade que o ferro fundido cinzento não exibe durante a usinagem. Assim, o material flui na forma de um cavaco contínuo sobre o gume da ferramenta similar ao cavaco de um aço (XAVIER, 2003) Fluidos de corte A função principal do fluido de corte é fazer com que, tanto a ferramenta como a peça que está sendo usinada não se aqueçam demasiadamente. Atualmente, com o surgimento de novos materiais para ferramentas, aliado ao fato da crescente severidade da legislação ambiental quanto aos descartes industriais e os custos referentes aos fluidos de corte, a indústria tem buscado novas soluções produtivas, sendo uma delas a usinagem a seco, onde os fluidos de corte são eliminados do processo, mas com a não utilização de fluidos de corte, retira-se

31 da usinagem os seus benefícios, que é a lubrificação, a refrigeração e a remoção de cavacos gerados no processo de torneamento. 31 Como as funções dos fluídos de corte não estão disponíveis em operações de usinagem a seco, isto significa que existe maior atrito entre a ferramenta e a peça e entre o cavaco e a ferramenta, como também maior dificuldade de expulsão dos cavacos. A ferramenta é submetida a uma maior carga térmica, o que pode resultar em níveis mais altos de desgaste por adesão, abrasão, difusão e oxidação e, portanto, a redução de sua vida. O efeito da redução da refrigeração pode acarretar um aquecimento adicional na máquina e, consequentemente, problemas com a precisão. A peça ao receber maior quantidade de calor dilata-se dificultando a obtenção de tolerâncias apertadas e também pode ter sua camada superficial metalurgicamente afetada pelo calor (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). Dentre os principais materiais utilizados pela indústria mecânica, o ferro fundido cinzento foi o primeiro a ser usinado a seco em operações de torneamento, mas hoje em dia também se pode usinar a seco materiais mais duros (MOMPER, 2000) Classificação dos fluidos de corte Existem diversas formas de classificar os fluidos de corte e não há uma padronização única estabelecida entre as empresas fabricantes. A classificação mais difundida é feita da seguinte maneira, segundo Machado & Diniz (2000): - Ar: Pouco utilizado, aplica-se principalmente na usinagem de ferro fundido cinzento. - Água: Primeiro fluido a ser utilizado. Foi substituído por óleos integrais e óleo emulsionáveis devido a sua alta taxa de evaporação, é deficiente na lubrificação e provoca corrosão em materiais ferrosos. - Emulsão: É uma solução onde se mistura um percentual de água mais um percentual de óleo solúvel em um reservatório.

32 32 - Óleos: Em operações na qual o calor gerado pelo atrito é muito grande, recomenda-se o uso de óleo puro que são divididos em minerais, graxos, compostos, de extrema pressão e óleos de uso múltiplo Ferramentas Cerâmicas O material cerâmico é considerado ferramenta de usinagem desde a década de 50, quando as primeiras ferramentas foram utilizadas, mas só passou a ser um material com uma porcentagem não desprezível do mercado de ferramentas de corte na década de 80, depois dos desenvolvimentos conseguidos no campo das propriedades de cerâmica (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). As ferramentas de óxidos metálicos ou de cerâmica, como são também designadas, possibilitam altas velocidade de corte. Sendo assim, as máquinas ferramentas necessitam altas potências de corte e rigidez mecânica. Segundo Trent (2000), a cerâmica utilizada como ferramenta de corte consiste de grão finos com alta densidade, contendo menos de 2% porosidade. Diferentes métodos têm sido utilizados para fazer os blanks, como por exemplo, a prensagem e sinterização dos blanks por um processo similar ao utilizado para insertos de metal duro. A sinterização é realizada a ar, e, neste caso, os Banks são brancos para a cerâmica de Al 2 O 3. Outro método é por pressão a quente de largos cilindros de alumina em moldes de grafite. Os blanks são cortados com ferramentas de diamante. Neste caso, os blanks das ferramentas são cinza escuro (TRENT, 2000). A estabilidade química é muito importante quando se usina em altas velocidades e temperaturas. Algumas propriedades desses materiais fazem com que sua utilização na usinagem não seja tão fácil, quais sejam: baixa condutividade térmica, o que, logicamente dificulta a transferência de calor e faz com que a região próxima do contato cavaco-ferramenta e peça-ferramenta atinjam temperatura muito alta e principalmente baixa tenacidade, o que facilita a formação de trincas e a quebra da ferramenta (MACHADO et. al. 2009).

33 Essa baixa tenacidade foi à principal razão que fez com que o material cerâmico não fizesse parte do mercado de ferramentas de corte há mais tempo. Nos últimos anos, grande esforço tem sido feito no sentido de aumentar a tenacidade deste material e bons resultados têm sido obtidos. 33 Em geral, as cerâmicas possuem as seguintes propriedades: Capacidade de suportar altas temperaturas (materiais refratários); Alta resistência ao desgaste abrasivo; Alta dureza; Alta fragilidade; Baixa condutividade térmica; Alta estabilidade química e térmica; Alta resistência à compressão e baixa resistência à tração. Dependendo da classe e a aplicabilidade da cerâmica, estas propriedades podem variar para mais ou para menos Propriedades dos insertos cerâmicos Resistência às reações químicas Devido à incidência de altas temperaturas na interface cavaco ferramenta e ferramenta peça, o desgaste da ferramenta ocorre geralmente devido à difusão, mecanismo que normalmente não é observado em temperaturas inferiores. Para temperaturas mais baixas, o mecanismo de desgaste predominante, passa a ser a abrasão. (BALDONI e BULJAN,1988). Neste aspecto, a alumina é o componente ideal para os insertos cerâmicos devido à sua inatividade química. Os insertos à base de nitreto de silício e a alumina reforçada com whiskers são os mais reativos com o cobalto e com o ferro. A reatividade do carboneto de silício com materiais ferrosos parece ser a razão pela qual os insertos de Al 2 O 3 + SiC possuem baixo desempenho nas aplicações em

34 aços endurecidos, onde o desgaste predominante é o de cratera; Costa (1993); Komanduri e Samanta (1989). 34 Pelo que foi exposto, pode-se dizer que os requisitos de um inserto cerâmico são exigências da aplicação em si. A aplicação do material da ferramenta depende do tipo de material a ser usinado, das condições de corte e das condições da máquina ferramenta. A capacidade em atender a estes requisitos é função direta de suas propriedades físicas, mecânicas, químicas e térmicas, e estas por sua vez são dependentes da composição química, da micro-estrutura e do processo de fabricação Resistência ao choque térmico Para os insertos cerâmicos, observa-se que a resistência ao choque térmico é inversamente proporcional ao coeficiente de expansão térmica e diretamente proporcional à condutividade térmica do material. Situações que envolvam alterações bruscas de temperatura como corte interrompido ou utilização interrupta de fluido refrigerante pode causar fraturas nos insertos cerâmicos. Os insertos à base de nitreto de silício (Si 3 N 4 ) são os mais resistentes ao choque térmico, fato este, que se deve à sua boa condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão; Ezugwu e Wallbank (1987) Dureza A dureza a frio da aresta de corte deve ser geralmente três vezes maior que a dureza da peça; Nakayama (1988). Portanto, para tornear aços cuja dureza seja superior a 60 HRC (aproximadamente 760 HV), seria necessária uma ferramenta com dureza superior a 2200 HV. Dos insertos cerâmicos anteriormente relacionados, os que apresentam maior dureza à temperatura ambiente são os insertos cerâmicos à base de alumina reforçada com whiskers (2000 HV) e a cerâmica mista (2200 HV). Porém, o fato de alguns insertos cerâmicos não apresentarem dureza ideal na temperatura ambiente, não deve ser considerado isoladamente, pois a dureza a

35 quente do material da ferramenta e da peça, variam de acordo com a ferramenta peça. 35 O grupo de ferramentas composto por insertos confeccionados à base de materiais cerâmicos é formado por várias classes de insertos, os quais estão divididos em dois grandes grupos em função do material empregado como matriz óxido de alumínio ou alumina (Al 2 O 3 ) ou nitreto de silício (Si 3 N 4 ), conforme Figura 9. Dentro destes grupos, estes materiais diferem entre si de acordo com as suas composições. CERÂMICA PURA, BRANCA OU OXIDA. CERÂMICA A BASE DE ÓXIDO DE ALUMÍNIO (AL 2 O 3 ) CERÂMICA MISTA (TiN ou TiC) ALUMINA REFORÇADA COM WHISKERS (SiC). CERÂMICA A BASE DE NITRETO DE SILÍCIO (SI 3 N 4 ) SIALON NITRETO DE SILÍCIO (SI 3 N 4 ) Figura 9- Divisão de materiais cerâmicos para ferramentas de corte, Mundo da Usinagem Sandvik (2002) Base de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) Dividem-se em cerâmicas puras, cerâmicas mistas e alumina reforçada com whiskers. As cerâmicas puras são aquelas constituídas somente de óxidos. Podem ser alumina pura, constituída basicamente de finos grãos de Al 2 O 3 sinterizados, podendo ter também algum teor de MgO para inibir o crescimento de grão e óxido de cromo, titânio e níquel para aumentar a resistência mecânica, ou alumina com baixos percentuais de zircônio (ZrO 2 ) que aumenta a tenacidade do material (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2008). As cerâmicas mistas contêm além de alumina, ou o carboneto de titânio (TiC) ou o nitreto de titânio (TiN). A alumina reforçada com

36 whiskers é constituída por inclusões de monocristais de SiC chamadas whiskers em uma matriz cerâmica (Al 2 O 3 ) Cerâmica pura, branca ou oxida. Trata-se de insertos de alumina reforçados com zircônia (ZrO 2 ), possui cor branca quando na sua fabricação é prensado a frio, ou cor cinza quando prensado à quente. Estas cerâmicas surgiram no mercado na década de 80, com o objetivo de expandir a faixa de aplicação das cerâmicas para a usinagem dos aços. Por tratar-se de material frágil, estes insertos devem ser utilizados com ângulo de saída negativo e aresta de corte chanfrada, objetivando-se melhorar a resistência à fratura. Devido à sua elevada resistência ao desgaste, é indicada para a usinagem de ferro fundido (cinzento, nodular e maleável). Em operações de acabamento, indica-se insertos com menores quantidades de zircônia, ao passo que para o desbaste são recomendados insertos com maior teor de zircônia Alumina reforçada com whiskers de SiC. Este tipo de inserto, possui em sua composição cerca de 20 a 40% em volume de carboneto de silício (SiC), na forma de cilindros monocristalinos, que têm diâmetro variando de 0,05 a 10 μm. A finalidade destes cilindros monocristalinos de carboneto de silício, dispersos na matriz de alumina, é aumentar a tenacidade à fratura e a resistência ao choque térmico. Estas ferramentas possuem cor verde e são indicadas para a usinagem a altas velocidades (500m/min), de superligas à base de níquel e cobalto, ferro fundido endurecido e aços temperados, com durezas superiores a 45 HRC. Este material não é indicado para a usinagem de aços de média e baixa dureza, devido às altas taxas de desgaste de cratera, provocado pela afinidade entre as fibras de SiC e os aços; Abrão (1996) Cerâmica a base de nitreto de silício (Si3N4) São cristais de Si 3 N 4 com uma fase intergranular de SiO 2 que são sinterizados na presença da alumina e o óxido de ítrio (Y 2 O 3 ) e manganês (MgO). Este tipo de

37 cerâmica também é chamado de Sialon. Tem excelentes propriedades como alta dureza, melhor tenacidade quando comparado com a Alumina e baixo coeficiente de expansão térmica, resultando em boa resistência a choques térmicos. Os insertos de sialon são fabricados pelo processo similar ao processo do metal duro sinterizado (TRENT, 2000) Sialon O sialon é um inserto cerâmico à base de nitreto de silício (Si 3 N 4 ), possuindo excelentes propriedades em termos de dureza à quente e resistência ao choque térmico, porém é péssimo com relação à estabilidade química. Devido a essa característica, é principalmente utilizado na usinagem do ferro fundido em desbaste, onde a dureza à quente, a resistência ao choque térmico e a tenacidade são fundamentais e também, onde o cavaco curto não tende a causar difusão na superfície de saída da ferramenta. CAPÍTULO 5 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Neste capítulo é apresentado o desenvolvimento experimental desta pesquisa. Os testes foram realizados em um torno ROMI UT 42A CNC de grande porte, utilizando as ferramentas de corte de cerâmica de nitreto de silício, cerâmica mista e em cerâmica de oxido de Zircônio, adaptador Capto C8X-ASHA M, suporte R265 e inserto SNGN Este trabalho visa estudar o desgaste da ferramenta de cerâmica, sendo, inserto na cor preta em cerâmica de nitreto de silício (Si 3 N 4 ), cerâmica branca em óxido de Alumínio (Al 2 O 3 ) + Óxido de Zircônio (ZrO 2 ) e cerâmica cinza em óxido de Alumínio (Al 2 O 3 ) + Carbonitreto de titânio (TiCN), nos ensaios experimentais no torneamento de ferro fundido nodular endurecido.

38 38 Ao longo deste capítulo, serão apresentados todos os demais equipamentos, instrumentos e ferramentas utilizados nos ensaios Equipamentos utilizados Os ensaios foram realizados em um torno ROMI UT 42A CNC de grande porte (Figura10). Na Tabela 2, as configurações do torno ROMI UT 42A onde realizamos a pesquisa. Figura 10- Torno ROMI UT 42A CNC Tabela 2- Configuração do torno ROMI UT 42A. Pontos Principais do equipamento Diâmetro admissível sobre o barramento Distancia entre pontos Peso máximo admissível entre pontos Diâmetro da placa de 4 castanhas Faixa de velocidade do eixo arvore Especificações mínimas 1500 mm 5000 mm 42 t 1200 mm Baixa 0,5 a 25 rpm Alta 2 a 100 rpm

39 O bom desempenho da cerâmica depende do uso do porta-ferramenta adequado, que deve ser posicionado com o menor comprimento em balanço possível. 39 Foi utilizado um porta-ferramenta especial, para torneamento externo com ângulo de posição da aresta de corte, (χr) igual a 95º, com fixação por grampo e de seção transversal de 32 mm x 32 mm; trata-se de um modelo T MAX P para faceamento cujo código especial R265, conforme mostrado na Figura11 e Figura11 (a) e (b), o qual possui ângulos de saída (γo) e de inclinação da aresta de corte (λs) ambos iguais a - 6º. (a) (b) Figura 11- Suporte especial código R26, (a) e (b) Adaptador Capto C8X- ASHA M. Os insertos cerâmicas eram pretas tipo SNGN em Nitreto de Silício (Si 3 N 4 ), brancas em óxido de Alumínio (Al 2 O 3 ) + Óxido de Zircônio (ZrO 2 ) e cinza em óxido de Alumínio (Al 2 O 3 ) + Carbonitreto de Titânio (TiCN). O durômetro de impacto (Figura 12), Modelo 4007, foi desenvolvido para medir a dureza de materiais metálicos de qualquer classe, desde valores muito baixos á valores muito altos. Este aparelho pode funcionar diretamente no local de trabalho, e em qualquer posição. São grandes as aplicações típicas para este aparelho, como por exemplo, para peças pesadas, as quais são de difícil acesso. E especialmente apropriado para aplicações nas quais o testador de dureza estática não é aplicável e nem econômico.

40 40 Figura 12- Durômetro de impacto modelo 4007 Para a análise, avaliação e fotos das superfícies dos insertos utilizadas nos ensaios, foram obtidas através de um microscópio Mitutoyo TM-500 com câmera Moticam 2300, 3.0 MPixels e software de processamento de imagens Motic Images Plus 2.0, conforme figura 13. Figura 13- Microscópio Mitutoyo TM-500 com câmera Moticam 2300.

41 5.2. Caracterização dos corpos de prova 41 O corpo de prova foi o cilindro de ferro fundido no estado endurecido, com 1234 mm por 138 mm de comprimento. O comprimento de faceamento foi de 100 mm até o limite de diâmetro 1034 mm. As ferramentas intercambiáveis de cerâmica em dois níveis (j) ISO SNGN T DCD 1500, como Si 3 N 4 (preta) e Carbonitreto de Silício TiCN (Cinza) e os parâmetros de corte utilizados eram a velocidade de corte constante vc = 80 m/min, a profundidade de corte ap = 4 mm e o avanço f = 0,5 mm/rot. Para a correta interpretação dos resultados é necessário que o material a ser usinado seja bem caracterizado, composição química, tamanho e forma das grafitas, microestrutura e dimensões. O corpo de prova possui a característica geométrica mostrada nas figuras14 e 15. Figura 14- Perfil do corpo de prova para os ensaios.

42 42 Figura 15- Corpo de prova para os ensaios. A Tabela 3 apresenta a composição química do material a ser testado. Tabela 3 Composição química do corpo de prova em ferro fundido nodular. Análise Química Composição C Mn Si S P Cr Mo Ni Mg Min 2,81 0,68 1,19 0,00 0,00 0,77 0,68 2,47 0,03 Max 3,85 0,98 1,67 0,05 0,02 1,15 0,98 3,45 0,09 Os elementos de liga interferem diretamente na usinabilidade. A determinação da influência dos elementos de liga que compõem os ferros fundidos depende de alguns fatores, entre eles, a reação entre si dos elementos, seu efeito na microestrutura e a taxa de resfriamento. O desempenho dos elementos químicos mais comuns sobre a usinabilidade dos ferros fundidos pode ser assim analisado. O carbono e o silício são os principais elementos de liga. O carbono determina a quantidade de grafita e o silício é um poderoso elemento grafitizante, ou seja, faz-se à decomposição do carbono combinado (Fe 3 C) em ferro e carbono melhorando assim sua usinabilidade.

43 O efeito do enxofre deve ser analisado em conjunto com o teor de manganês no ferro. Quando se forma sulfeto de manganês, o enxofre promove a redução da matriz perlítica. Obtém-se um ganho expressivo na vida da ferramenta quando faz se variar à percentagem de sulfeto de manganês, com teores de enxofre entre 0,02 para 0,12 %. Supõem se que esse aumento seja consequência do efeito lubrificante adicional proporcionado pelos sulfetos de manganês, reduzindo o atrito e consequentemente a temperatura de corte. A presença de uma quantidade maior de enxofre se traduz na formação de maior número de sulfetos, que são responsáveis pela ruptura do cavaco em pequenos fragmentos. O fósforo não apresenta uma ação muito significativa do ponto de vista de tendência grafitizante. CAPÍTULO 6 6. METODOLOGIA Foram executados ensaios de torneamento de faceamento em cilindro de ferro fundido nodular com dureza variando entre 60 a 75 Shore. Os testes foram realizados em um torno ROMI UT 42A CNC de grande porte, utilizando inserto SNGN de Nitreto de Silício (Si 3 N 4 ) na cor preta, inserto a base de Óxido de Alumínio (Al 2 O 3 ) e Carbonitreto de titânio (TiCN) na cor Cinza e inserto a base Óxido de Alumínio (Al 2 O 3 ) + Óxido de Zircônio ZrO 2. A avaliação do desgaste e ou avarias em ferramenta cerâmica foram dispostas em três níveis, ou seja: Si 3 N 4 (Figura16 a), Al 2 O 3 + Óxido de Zircônio ZrO 2 (Figura 16 b) e Al 2 O 3 + Carbonitreto de titânio TiCN (Figura 16 c), mantendo-se constantes a velocidade de corte (vc) de 60 m/min, a profundidade de corte (ap) de 4 mm, o avanço da ferramenta (f) de 0,5 mm/rpm. O limite de vida da ferramenta foi fixado em um comprimento de corte de aproximadamente 700 metros equivalente a um comprimento de avanço radial de 100 mm.

44 44 Os ensaios foram realizados sem o uso de fluido de corte (a seco), para avaliar a utilização de ferramentas de cerâmica. (a) (b) (c) Figura 16- Montagem das ferramentas cerâmicas dos ensaios Os pontos de coletas das medidas foram obtidos conforme figura 16, onde primeiramente na lateral direita do corpo de prova, mediu-se em quatro posições 1, 2,3 e 4 equidistantes a 90 e nos três pontos a, b e c repetindo todo o processo na face lateral direita do corpo de prova. Figura 17- Pontos de coletas de dados no corpo de prova.