INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE CORTE NA USINAGEM DE CARBONO- CARBONO COM FERRAMENTAS CERÂMICAS

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1 28 de junho a º de julho de 24 Curitiba-PR INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE CORTE NA USINAGEM DE CARBONO- CARBONO COM FERRAMENTAS CERÂMICAS M. A. Lanna, A. M. Abrão, C. R. M. da Silva, R. F. de Ávila, J. V. C. Souza. Centro Técnico Aeroespacial, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Praça Marechal Eduardo Gomes, 5 - Vila das Acácias CEP São José dos Campos - SP Brasil. lanna@mec.ita.br RESUMO O material carbono-carbono é empregado nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, automotiva e biomédica, devido às suas excelentes propriedades termo-mecânicas, alto estabilidade química e boa biocompatibilidade. Porém, existem poucos estudos relacionados com a usinabilidade desse material, devido ao seu alto custo e o seu caráter estratégico para aplicações militares (mísseis e foguetes). No presente trabalho, foram usinados discos de carbono-carbono com ferramentas cerâmicas de diferentes propriedades e diferentes parâmetros de usinagem. As ferramentas de nitreto de silício foram fabricadas por sinterização normal em atmosfera de nitrogênio. Os valores de dureza e tenacidade à fratura foram avaliados pelo método de indentação Víckers, as fases presentes por difração de raios X e a microestrutura por MEV. Palavras-chave: sinterização, ferramentas cerâmicas, carbono-carbono. INTRODUÇÃO. Nos últimos 2 anos, a cerâmica à base de nitreto de silício tem atraído atenção como cerâmica estrutural devido as suas excelentes propriedades mecânicas e térmicas [Vleugels et all, 995]. O nitreto de silício possui baixa expansão térmica e alto módulo de elasticidade, apresentando alta resistência ao choque térmico. O nitreto de silício é encontrado em duas formas cristalográficas: α-si 3 N 4 e β- Si 3 N 4. O nitreto na forma α-si 3 N 4 é instável a altas temperaturas e sua

2 28 de junho a º de julho de 24 Curitiba-PR 2 transformação em β- Si 3 N 4 ocorre em temperaturas acima de 5 C. Na família de produtos sinterizados de nitreto de silício, há quatro grupo maiores: β- Si 3 N 4, β- SIALON, α-sialon e (α+β)-sialon. Os sialons são soluções sólidas de α-si 3 N 4 ou β- Si 3 N 4 com Al, O e algum outro íon metálico [Chen et all, 998]. Tendo em vista o crescente uso de carbono reforçado com fibras de carbono (carbono-carbono) nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, nuclear, biomédica e automotiva, a necessidade de se usinar este material de forma adequada aumentou. Como os compósitos carbono-carbono são de difícil usinabilidade, é necessário um estudo maior do processo de usinagem desse material [Ferreira, 2]. A usinagem de compósitos carbono-carbono é uma área complexa, principalmente devido ao seu caráter sigiloso. O torneamento desse material constitui-se um problema, resultando grande desgaste da ferramenta [Windhorst and Blount, 997]. O material compósito carbono-carbono foi escolhido por se tratar de um material extremamente abrasivo e por ter sua usinabilidade pouco estudada. O carbono-carbono é muito empregado nas indústrias aeronáutica e aeroespacial devido suas excelentes propriedades principalmente em temperaturas elevadas. Dentre as aplicações do compósito carbono-carbono destaca-se o revestimento interno da tubeira do VLS (Veículo Lançador de Satélites) desenvolvido pelo Centro Técnico Aeroespacial, onde o alto calor das chamas exige boas propriedades do material a altas temperaturas. MATERIAIS E MÉTODOS. No presente trabalho nitreto de silício foi sinterizado sem aplicação de pressão utilizando como aditivos de sinterização: óxido de alumínio (Al 2 O 3 ), óxido de ítrio (Y 2 O 3 ), óxido de cério (CeO 2 ) e nitreto de alumínio (AlN). O óxido de cério possui um custo inferior ao óxido de ítrio e sua utilização como aditivo de sinterização tem como objetivo a redução dos custos de produção de cerâmicas a base de nitreto de silício para aplicações estruturais, como em ferramentas de corte. Outro aspecto importante do atual trabalho foi a utilização do processo de sinterização normal, que permite a produção de componentes a um custo reduzido e em maior quantidade do que os outros processos.

3 28 de junho a º de julho de 24 Curitiba-PR 3 As pastilhas sinterizadas foram lapidadas em forma quadrada e com as dimensões padronizadas conforme a norma ISO 832 para possível utilização em porta ferramentas no processo de usinagem. Nos ensaios de usinagem foi utilizado um torno ROMI modelo Centur 3S equipado com comando numérico computadorizado MACH9 com potência e rotação máximas de 6,5 Kw e 35 rpm. Para evitar a contaminação do equipamento e evitar que o pó oriundo da usinagem do compósito carbono-carbono se espalhasse pelo laboratório, utilizou-se um aspirador de pó da marca Schulz, modelo Hidropó 72 IPX4 de 24 watts, 22 Volts e 5/6 Hz. As partes mais vulneráveis da máquina foram protegidas com filme de pvc. Para evitar a inalação do pó pelos operadores, utilizou-se máscaras. Foram utilizados como corpos de prova, discos de carbono-carbono com 3 mm de diâmetro e mm de espessura. Esse material foi produzido com fibras de carbono impregnadas com resina de carbono em sua matriz, possuindo densidade aparente de,42 g/cm 3, porosidade de 7 % em volume e 45 % de fibras. Os ensaios de usinagem foram divididos em duas etapas. Na primeira etapa, foi utilizada uma ferramenta comercial (K) e uma ferramenta produzida no laboratório sem prensagem a quente (C). Neste ensaio, a condição de usinagem foi a mesma para as duas ferramentas, para efeito de comparação do rendimento da ferramenta sinterizada sem pressão e a comercial. Para essa comparação foi utilizada uma mesma condição de corte. Na segunda etapa dos ensaios de usinagem foram variados a velocidade de corte e o avanço, por serem os parâmetros que mais influenciam no desgaste de ferramentas. A profundidade de corte foi mantida fixa em mm e o comprimento final de usinagem foi mantido em 8m. Os parâmetros de usinagem utilizados estão apresentados na Tabela. Os valores de microdureza e de tenacidade à fratura foram medidos pelo método de indentação Vickers. O material sinterizado alcançou um valor d dureza de 25 HV, tenacidade à fratura de 6,45 MPam,5 e densidade relativa de 98,54 %. Para a análise de custos, foi considerada uma peça hipotética de comprimento de corte Lc=3 m e um lote total de 2 peças. O critério adotado como critério de fim de vida para as ferramentas cerâmicas foi o de desgaste de flanco VBbmax=,6 mm, critério recomendado pela norma ISO Os custos de fabricação por peça foram calculados considerando o custo de uma ferramenta comercial de 3 US$ e das

4 28 de junho a º de julho de 24 Curitiba-PR 4 ferramentas produzidas no laboratório de 5,69 US$. Os custos de usinagem por peça foram calculados separadamente, sendo: custo relativo à ferramenta (Kuf), custo com máquina (Kum) e custo de mão-de-obra na usinagem (Kus). Tabela : Parâmetros de corte utilizados nos ensaios de usinagem. Ferramenta Vc (m/min) f (mm/rot) a p (mm) Lc (m) C e K 3, C ,, 8 45,,2,4 RESULTADOS E DISCUSSÃO. Influência dos parâmetros de usinagem no desgaste das ferramentas. A influência da velocidade de corte na usinagem do compósito carbonocarbono com ferramenta cerâmica é apresentada na Figura. Neste trabalho, observou-se um aumento do desgaste de flanco com o aumento da velocidade de corte. Em velocidades de corte menores, o aumento do desgaste de flanco ocorre e forma suave enquanto que para velocidades maiores o aumento acontece e forma mais intensa. O aumento do desgaste da ferramenta com o aumento da velocidade de corte se dá principalmente ao fato de que durante a usinagem a ferramenta fica sujeita a esforços cíclicos e variações bruscas de temperatura, pois o efeito combinado de temperatura e esforços cíclicos, torna a degradação termo mecânica mais intensa. Para a velocidade de corte de 6 m/min, os ensaios foram interrompidos em um comprimento de usinagem de 6 m devido ao grande desgaste sofrido pela ferramenta.

5 28 de junho a º de julho de 24 Curitiba-PR 5 Desgaste de Flanco VBb (mm) 2,5 2,5, Comprimento de Usinagem Lc (m) Vc=5 Vc=3 Vc=45 Vc=6 Figura : Influência da velocidade de corte no desgaste de flanco. A Figura 2 mostra a influência do avanço na evolução do desgaste de flanco (VBb) da ferramenta. Com o aumento do avanço, ocorre uma redução do desgaste da ferramenta, devido a ocorrer uma melhor dispersão do calor gerado na usinagem, reduzindo a parcela de calor absorvida pela ferramenta e aumentando a parcela de calor absorvida pelo cavaco. Na utilização de pequenos avanços, existe uma maior abrasão da ferramenta com a peça por unidade de volume de cavaco removido e maior concentração de calor na ponta da ferramenta. Esse fenômeno torna as operações de acabamento destes materiais em operações críticas do ponto de vista dimensional. Custos de usinagem. O aumento da velocidade de corte, além de influenciar diretamente no custo da ferramenta devido ao grande desgaste causado, pode também influenciar no sentido de reduzir o custo de usinagem. Para velocidades até 45 m/min, a velocidade não tem tanta influência nos custos de fabricação, porém, quando utilizamos a velocidade de corte Vc=6 m/min, ocorre um aumento significativo nos custos de usinagem, devido não apenas ao aumento dos custos com ferramenta, mas também com o aumento dos custos causados pelo tempo improdutivo devido ao maior número de trocas de ferramenta. Em velocidades de até 45 m/min, o aumento dos custos com ferramenta são compensados com a redução dos custos com mão-de-

6 28 de junho a º de julho de 24 Curitiba-PR 6 obra e máquina. A Figura 4 mostra comparação dos custos de usinagem em função da velocidade de corte. Desgaste de Flanco VBb (mm),6,4,2,8,6,4, Comprimento de Usinagem Lc (m) f=, f=,2 f=,4 Figura 2: Influência do avanço no desgaste de flanco. comercial. Comparação da ferramenta produzida em laboratório e uma ferramenta Desgaste de flanco VBb (mm),2,8,6,4, Comprimento de usinagem Lc (m) FERRAMENTA C FERRAMENTA COMERCIAL Figura 3: Comparação da ferramenta experimental com a comercial. A influência do avanço nos custos de produção é apresentada na Figura 5. O aumento do avanço reduz os custos de usinagem. O menor desgaste causado pelo

7 28 de junho a º de julho de 24 Curitiba-PR 7 aumento do avanço faz com que os custos com ferramenta sejam bastante reduzidos, reduzindo assim o tempo total de usinagem. 4 Custo por peça (US$) 3 2 Vc=5 Vc=3 Vc=45 Vc=6 Velocidade de Corte Vc (m/min) Kuf Kum+Kus Kp Figura 4: Influência da velocidade de corte nos custos de usinagem. Do ponto de vista técnico, a ferramenta comercial apresentou melhor desempenho do que a ferramenta feita no laboratório, porém é pertinente fazermos uma relação custo-benefício para possibilitar uma melhor comparação entre as ferramentas. Se considerarmos apenas o custo com ferramenta por peça, a ferramenta C possui o menor custo (,75 US$) do que a ferramenta comercial (,32 US$). No entanto, devido a um maior número de trocas de ferramenta para produzir o lote, a ferramenta C possui um maior custo com mão-de-obra e máquina. 3 Custo por peça (US$) 2 f=, f=,2 f=,4 Avanço f (mm/rot) Kuf Kum+Kus Kp Figura 5: Influência do avanço no custos de usinagem.

8 28 de junho a º de julho de 24 Curitiba-PR 8 Fazendo uma avaliação total dos custos de fabricação, a ferramenta C se torna mais economicamente viável do que a ferramenta comercial. O estudo dos custos de fabricação para as duas ferramentas esta apresentado na Figura 6. Apesar de a ferramenta C possuir desgaste um pouco maior do que a ferramenta comercial, seu baixo custo compensa a sua utilização, pois seu custo de usinagem por peça é menor. 3 Custo por peça (US$) 2,5 2,5,5 FER C Ferramenta FER k Kuf Kum+Kus Kp Figura 6: Comparação dos custos de produção das ferramentas. CONCLUSÕES. A utilização do processo de sinterização normal na sinterização das amostras, proporcionou propriedades físicas e mecânicas que possibilitam o seu uso em aplicações estruturais, tornando possível a obtenção de um material confiável e a um baixo custo de produção. O principal mecanismo de desgaste atuante é a ação abrasiva do compósito sobre a ferramenta. Na usinagem do compósito carbono-carbono, predomina o mecanismo de desgaste por abrasão mecânica, evidenciado pela elevada taxa de crescimento do desgaste em velocidades acima de 3 m/min e pelo aumento do desgaste com a redução do avanço. O desgaste de cratera, quando houve, foi desprezível se comparado ao desgaste de flanco. Na usinagem do compósito carbono-carbono as operações de desbaste são favorecidas, pois trabalhando com avanços maiores provoca-se menores desgastes

9 28 de junho a º de julho de 24 Curitiba-PR 9 às ferramentas, porém deve-se prevenir contra um provável arrancamento das fibras do material. A velocidade de corte teve grande influência na vida das ferramentas cerâmicas sem revestimento. A taxa de aumento do desgaste das ferramentas tem um grande aumento para pequenos aumentos de velocidades de corte. AGRADECIMENTOS. À CAPES pelo apoio financeiro. Ao Centro Técnico Aeroespacial pela disponibilização dos laboratórios de sinterização. À Universidade Federal de Minas Gerais pela disponibilização do laboratório de usinagem. REFERÊNCIAS.. J. Vleugels, j., P.Jacobs, J. P. Kruth, P. Vanherck, W. du Mong, O. Van der Biest, Machining of steel with sialon ceramics: influence of ceramic and work piece composition on tool wear, Wear 89, I. Chen, E. Kny, G. Groboth, Sialon ceramic with gradient microstructures; Surface and Coatings Technology, -, 998, J. R. Ferreira, N. L. Coppini and F. L. Neto, Characteristics of carbon-carbon composite turning, Journal of Materials Processing Technology, 9 (2) T. Windhorst and G. Blount, Carbon-carbon composites: a summary of recent developments and applications, Materials & Desig, vol 8 n, 997, -5. THE INFLUENCE OF CUTTING PARAMETERS IN THE CARBON-CARBON MACHINNING WITH CERAMIC CUTTING TOOLS ABSTRACT He carbon-carbon is applied in aeronautical, automotive and biomedical industries because the excellent properties. However have a little studies of machining of this materials because the military strategic applications (missiles and

10 28 de junho a º de julho de 24 Curitiba-PR rockets). In this work, discs of carbon-carbon where faced with ceramic tools and different cutting parameters tested. The silicon nitride where sintered by normal sintering in nitrogen atmosphere. The hardness and fracture toughness was measured by Vickers method. Phases for X-Ray and microstructure by MEV. KEY-WORDS: sintering, ceramic tools, carbon-carbon.