ESTUDO DO DESEMPENHO DE BROCAS DE AÇO-RÁPIDO REVESTIDAS NA FURAÇÃO DO FERRO FUNDIDO GH 190 EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE APLICAÇÃO DE FLUIDO DE CORTE

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1 ESTUDO DO DESEMPENHO DE BROCAS DE AÇO-RÁPIDO REVESTIDAS NA FURAÇÃO DO FERRO FUNDIDO GH 190 EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE APLICAÇÃO DE FLUIDO DE CORTE Sandro Cardoso Santos Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Rua Dom José Gaspar 500, Prédio 10, Sala 101, Coração Eucarístico, CEP , Belo Horizonte, Minas Gerais, Marcio Bacci da Silva Universidade Federal de Uberlândia, Campus Santa Mônica, Bloco 1M, Uberlândia, Minas Gerais, Wisley Falco Sales Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Rua Dom José Gaspar 500, Prédio 10, Sala 101, Coração Eucarístico, CEP , Belo Horizonte, Minas Gerais, Resumo. Este trabalho apresenta os resultados de uma investigação sobre a influência da aplicação de fluidos de corte no desempenho de brocas helicoidais de aço-rápido com diferentes revestimentos, na furação do ferro fundido GH 190. Foram utilizadas brocas com cinco naturezas de superfície: não revestida e revestidas com TiN, TiCN, WC/C sobre TiAlN e revestimento multicamadas. O desempenho das ferramentas foi determinado por meio de ensaios de vida realizados a seco, com aplicação de fluido em jorro e com mínima quantidade de fluido. Os resultados obtidos permitiram concluir que, comparadas com a condição a seco, a aplicação de mínima quantidade de fluido de corte foi responsável pelo aumento da vida de todas as ferramentas testadas. A aplicação de fluido em jorro foi a melhor condição para a furação com brocas com revestimento multicamadas e as demais ferramentas apresentaram grande dispersão dos valores de vida nessa condição. Palavras-chave: furação, revestimentos, fluidos de corte, mínima quantidade de fluido. 1. INTRODUÇÃO A adequação dos fluidos de corte às exigências das legislações ambientais e trabalhistas teve como conseqüência o aumento dos custos relacionados à sua utilização. Esse fato tem justificado a realização de pesquisas com o objetivo de buscar alternativas para a redução ou até mesmo a eliminação dos fluidos de corte em determinadas operações. Seguindo essa tendência, as ferramentas desenvolvidas para usinagem a seco têm apresentado desempenho satisfatório em algumas situações. Nos casos em que a completa eliminação dos fluidos de corte não é viável do ponto de vista técnico ou econômico, a aplicação de mínima quantidade de fluido de corte é uma alternativa a ser investigada, por não requerer instalações complexas para a circulação e tratamento do fluido de corte e nem a limpeza dos cavacos para descarte, procedimentos responsáveis por cerca de 80% dos custos relativos à utilização dos fluidos de corte (Cselle, 1998). A maior quantidade de calor é transmitida à ferramenta em conseqüência da redução da quantidade de fluido de corte faz com que o uso de ferramentas revestidas seja um dos requisitos para o bom desempenho do processo.

2 Este trabalho apresenta os resultados de investigações sobre a influência do tipo de revestimento e do método de aplicação de fluido de corte no desempenho de bocas de aço-rápido. As ferramentas foram divididas em cinco grupos, de acordo com o tipo de revestimento em: brocas não revestidas e brocas revestidas com TiN, TiCN, WC/C sobre TiAlN e revestimento multicamadas de TiN e TiAlN. Os testes foram realizados a seco, com aplicação de fluido em abundância e mínima quantidade de fluido (MQF). O desempenho das ferramentas foi determinado com base em ensaios de vida, expressa em número de furos usinados até a falha das ferramentas. O desempenho de uma ferramenta revestida não depende apenas da composição química do revestimento. A seguir são citados resultados que confirmam essa afirmação: Kankaanpää e Korhonen (1987) verificaram que a geometria de pastilhas de aço-rápido revestidas com TiN influencia consideravelmente a resistência ao desgaste dessas ferramentas; Resultados apresentados por Chen e Liu (1999) e Chen e Tsao (2000) mostram que ferramentas revestidas com TiN com estruturas monocamada e multicamadas apresentam diferenças de desempenho, no que se refere à força de avanço, torque e evolução do desgaste de flanco; Tönshoff e Seegers (2000) mostraram que o desempenho de ferramentas com revestimentos PVD é fortemente influenciado pela distribuição de tensões residuais na superfície e subsuperfície do substrato; Posti et al. (1989), ao avaliar a influência da espessura do revestimento no desempenho das ferramentas, verificou a existência de uma espessura ótima de revestimento de ferramentas no corte interrompido e que, no corte contínuo, o desempenho das ferramentas é tanto melhor quanto maior for a espessura dos revestimentos; Young e Rhee (1986) verificaram que a vida das brocas cresce linearmente com a espessura do revestimento de TiN; Derflinger et al. (1999) mostraram resultados de desempenho de revestimentos na furação em função do número de furos usinados por micrometro de espessura da camada de revestimento. Essa mesma relação será adotada para a apresentação de parte dos resultados contidos neste trabalho. 2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Foram utilizadas brocas de aço-rápido de diâmetro 10 mm não revestidas e revestidas com TiN, TiCN, WC/C sobre TiAlN e revestimento multicamadas de TiN e TiAlN. Os ensaios foram realizados em uma fresadora CNC ROMI Interact IV. Foram usinadas barras com dimensões 500x200x45 mm de ferro fundido GH190, cujas características são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1. Características do ferro fundido cinzento GH 190. Composição química (%) Características estruturais C Si Cr S P Matriz Grafita 3,2 3,5 2,0 2,5 < 0,2 < 0,15 < 0,10 Perlítica lamelar máx. 5% de ferrita Tipos B e D Cementita e carbono livre Máx. 1% Dureza (HV) 200 As condições de corte adotadas foram: v c = 35m/mn; f = 0,25 mm/rev; furos passantes com relação comprimento/diâmetro = 4,5.

3 Os ensaios foram realizados em três condições de lubrificação: A seco; Com aplicação de fluido em abundância, semi-sintético a 7% e vazão de 4,5 l/min; Com aplicação de mínima quantidade de fluido de corte, óleo vegetal na vazão de 50ml/h, com aplicação pulsada de 1 pulso/segundo. Os ensaios de vida consistiram na furação ininterrupta até que a ferramenta atingisse o final de vida. O critério de fim de vida adotado foi a perda da capacidade de corte da ferramenta. Os valores de vida foram obtidos por meio da média de três ensaios. O aspecto da ponta da broca após o final de vida é mostrado na Figura 1 2 mm Figura 1. Aspecto da ponta das brocas após chegarem ao final de vida. A espessura dos revestimentos foi determinada por meio da evolução de marcas de desgaste feitas na superfície revestida da haste das brocas, feitas em um equipamento para ensaio de microabrasão calowear, conforme mostrado na Figura 2. Figura 2. Evolução das marcas de desgaste para determinação da espessura dos revestimentos. O ensaio consiste de uma esfera que gira sobre a superfície revestida e imprime sobre esta, marcas de desgaste, como as apresentadas na Figura 1. A espessura dos revestimentos é determinada a partir das dimensões x e y mostradas na Figura 3, medidas para diferentes distâncias de deslizamento da esfera sobre a superfície revestida.

4 h d esfera x y revestimento substrato Figura 3. Representação esquemática da calota elíptica impressa sobre a haste das brocas. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A análise dos resultados foi feita segundo três enfoques distintos. Uma primeira análise tem como objetivo comparar o desempenho das ferramentas com diferentes revestimentos nas três condições de aplicação de fluido de corte. A segunda análise enfoca a influência do método de aplicação do fluido de corte no desempenho das ferramentas de um mesmo grupo. A terceira análise aborda o desempenho relativo entre os diferentes tipos de revestimentos. As diferentes abordagens são necessárias porque o desempenho dos revestimentos não é função apenas da sua natureza. A espessura da camada tem influência significativa no desempenho das ferramentas, o que justifica levar esse parâmetro em consideração no estudo comparativo de desempenho. 3.1 Desempenho dos Diferentes Grupos de Ferramentas A vida das brocas de aço-rápido no corte a seco e com aplicação de mínima quantidade de fluido é apresentada na Figura 4. VIDA (NÚMERO DE FUROS) SR TiN TiCN WC/C MC SECO MQF Figura 4. Desempenho das brocas de aço-rápido no corte a seco com aplicação de mínima quantidade de fluido. Os valores médios mostram que, no corte a seco, as ferramentas revestidas com TiN, WC/C sobre TiAlN e com revestimento multicamadas (MC) apresentaram desempenhos superiores ao das ferramentas não revestidas e revestidas com TiCN. A análise dos valores de vida das ferramentas com base na média não apresenta confiabilidade, pois há sobreposição dos desvios. Foi feita, então, a análise de variância dos resultados. As

5 ferramentas foram divididas em cinco grupos de acordo com o tipo de revestimento, cada grupo formado por três ferramentas. A análise de variância permite verificar se a variação total dos valores de vida (calculado a partir da vida das quinze ferramentas testadas) é mais influenciada pela variação entre os diferentes grupos ou pela variação dentro dos grupos. Caso a variação entre os diferentes grupos representar mais de 50% da variação total, pode-se afirmar que os revestimentos influenciaram o valor da vida das ferramentas. A análise de variância considerando todos os grupos de revestimentos mostra, com 95% de confiabilidade, que 60% da variação total corresponde à variação entre os diferentes revestimentos. Pode-se afirmar, portanto, que os revestimentos exercem influência significativa no desempenho das ferramentas. Tomando somente os grupos de ferramentas revestidas, obtém-se que apenas 35% da variação dos resultados é atribuída aos diferentes revestimentos. Verifica-se que a variação da vida das ferramentas é mais significativa dentro dos grupos de revestimento, o que mostra que a influência dos diferentes tipos de revestimentos no desempenho das brocas não foi significativa. Por outro lado, a comparação de desempenho entre os grupos de ferramentas que apresentaram menor média (ferramentas sem revestimento e revestida com TiCN) mostra de que 75% da variação total dos resultados corresponde à variação dentro dos grupos, ou seja, do ponto de vista estatístico não se pode afirmar que o revestimento de TiCN teve influência significativa no desempenho das ferramentas, quando comparado com as ferramentas não revestidas. Esses resultados podem ser atribuídos aos elevados valores de desvio-padrão, apresentados principalmente pelas ferramentas revestidas com TiCN e WC/C, como mostram os coeficientes de variação (desvio-padrão/média) apresentados na Tabela 2. Tabela 2. Coeficientes de variação dos valores de vida das ferramentas de aço-rápido no corte a seco. Sem revest. TiN TiCN WC/C MC 30% 22% 41% 43% 10% No caso dos ensaios realizados com aplicação de mínima quantidade de fluido de corte, os valores das médias observa-se que as brocas com o revestimento multicamadas (MC) apresentaram desempenho superior. Esse resultado é confirmado quando é feita a análise de variância entre os cinco grupos de revestimentos. Os resultados mostram que 78% da variância total é devida à variação entre os diferentes grupos, o que permite afirmar que houve influência dos revestimentos no desempenho das ferramentas. Uma nova análise de variância, excluindo o grupo de ferramentas com o revestimento multicamadas, mostra que a variação de vida entre os diferentes grupos é responsável por 41% da variação total, resultado que indica que não houve diferença significativa entre os diferentes grupos de revestimentos, ou seja, a variação dentro dos próprios grupos foi mais significativa (59% da variação total). A comparação de desempenho entre o grupo de ferramentas com revestimento multicamadas e as ferramentas revestidas com TiN (que apresentou a segunda maior média entre todos os grupos testados) mostra que 65% da variação total é atribuída à variação entre os diferentes grupos, resultado que confirma o melhor desempenho das ferramentas com revestimento multicamadas. Os coeficientes de variação (desvio-padrão/média) obtidos nos ensaios com aplicação de mínima quantidade de fluido são mostrados na Tabela 3. Tabela 3. Coeficientes de variação dos valores de vida das ferramentas de aço-rápido no corte com aplicação de mínima quantidade de fluido. Sem revest. TiN TiCN WC/C MC 50% 25% 16% 6% 9%

6 Uma observação interessante é a redução do coeficiente de variação apresentado pelas ferramentas revestidas com TiCN e WC/C em relação ao corte a seco. Verifica-se que o coeficiente de variação correspondente às ferramentas não revestidas aumentou em relação aos valores obtidos para o corte a seco. Uma explicação para esse comportamento pode estar relacionada às temperaturas elevadas no corte a seco, que fazem com que as ferramentas cheguem ao final de vida após um número de furos significativamente menor que o verificado no corte com aplicação de mínima quantidade de fluido. O fato de a ferramenta chegar ao final de vida logo nos primeiros furos impede uma grande dispersão de resultados pois as ferramentas dificilmente suportariam as temperaturas elevadas e usinariam um número de furos muito diferente. Com a aplicação da quantidade mínima de fluido a temperatura é reduzida, o que pode contribuir ao mesmo tempo para o aumento da vida das ferramentas e para a maior dispersão dos resultados. O prolongamento da vida da ferramenta ocorre porque a temperatura deixa de ser o fator determinante para o fim de vida das ferramentas, logo nos primeiros furos. A influência na maior dispersão dos resultados é relacionada ao fato de que outros mecanismos de desgaste podem passar a atuar e a influência de cada um dos mecanismos pode variar de uma ferramenta para outra. No corte com aplicação de fluido em abundância, o fim de vida das ferramentas não pôde ser estabelecido com base na falha da ferramenta. O resumo dos resultados obtidos é apresentado na Tabela 4. As ferramentas não revestidas foram as únicas que, nos três ensaios, chegaram ao final de vida devido à perda da capacidade de corte. Tabela 4. Vida das ferramentas de aço-rápido obtida nos ensaios com aplicação de fluido de corte em abundância. BROCA REVESTIMENTO SR TiN * TiCN ** 120 ** WC/C MC 772*** 870* *ensaios encerrados sem que a ferramenta atingisse o fim de vida **quebra da ferramenta. ***fratura por fadiga, sem apresentar desgaste. As ferramentas revestidas com TiN chegaram ao final de vida devido à perda da capacidade de corte da ferramenta nos ensaios 1 e 2. No terceiro ensaio a ferramenta usinou 750 furos sem apresentar sinais de desgaste. As ferramentas revestidas com TiCN quebraram logo no início da vida em dois dos ensaios realizados, mesma situação verificada para as ferramentas revestidas com WC/C. As ferramentas com revestimento multicamadas apresentaram desempenho satisfatório, porém nenhuma delas chegou ao final de vida segundo o critério preestabelecido (perda da capacidade de corte). A primeira ferramenta apresentou falha por fratura na região da hélice. A região da fratura apresenta aspecto liso, característico de falha por fadiga. A hipótese de quebra por torção pode ser refutada pelo fato de as ferramentas não apresentarem desgaste acentuado. As características dos ensaios com aplicação de fluido de corte em abundância não permitem uma análise estatística pelo fato de não ter sido possível estabelecer um critério único para encerrar os ensaios.

7 3.2 Influência da Mínima Quantidade de Fluido (MQF) na Vida das Ferramentas A seção anterior apresentou os resultados relativos à influência dos revestimentos na vida das brocas em diferentes condições de lubrificação. Nesta seção são apresentados os resultados que têm por objetivo analisar a influência da aplicação de mínima quantidade de fluido na vida das ferramentas. Foram feitas cinco análises distintas, uma para cada tipo de revestimento. A vida das brocas de aço rápido no corte a seco e com aplicação de mínima quantidade de fluido é mostrada na Figura 4. O percentual de influência da aplicação de MQF na variação total da vida das ferramentas é apresentado na Figura 5. Com base nesses resultados, pode-se verificar que a aplicação de mínima quantidade de fluido de corte foi responsável pelo aumento da vida das ferramentas em todos os grupos de revestimentos estudados. INFLUÊNCIA DA MQF 100% 90% 80% 70% 60% 50% 69% 85% 93% 75% 99% SR TiN TiCN WC/C MC Figura 5. Influência da aplicação de MQF na variação total da vida das ferramentas de aço rápido. Uma vez que já é sabido que a aplicação da mínima quantidade de fluido foi determinante no aumento da vida da ferramenta, pode-se quantificar essa influência. A Tabela 5 mostra, com 95% de certeza, a influência da aplicação de mínima quantidade de fluido de corte no aumento da vida das ferramentas. Os valores apresentados na Tabela 5 mostram que a aplicação de mínima quantidade de fluido de corte foi responsável por, no mínimo 20% de aumento da vida da ferramenta. Tabela 5. Aumento da vida das brocas de aço-rápido devido à aplicação de mínima quantidade de fluido de corte (95% de confliabilidade). Grupo de revestimento Aumento mínimo (%) Aumento máximo (%) Sem revestimento TiN TiCN WC/C sobretialn Multicamadas A aplicação de mínima quantidade de fluido na furação com brocas com revestimento multicamadas garante o maior percentual de aumento mínimo para a vida das ferramentas e também a menor variação entre o percentual de aumento mínimo e máximo 3.3 Análise do Desempenho dos Revestimentos nos Ensaios de Usinagem Os resultados referentes ao desempenho das ferramentas e do método de aplicação de fluido de corte foram apresentados nas seções 3.1 e 3.2. Com base na metodologia utilizada pode-se selecionar a melhor ferramenta e o melhor método de aplicação de fluido.

8 Como a espessura dos revestimentos é um fator importante para o desempenho da ferramenta revestida, este seção apresenta os resultados de desempenho das ferramentas com base no número de furos usinados por µm de espessura da camada de revestimento. Esses valores foram obtidos com a divisão da vida das ferramentas pela espessura dos respectivos revestimentos, apresentada na Tabela 6 e apresentados no gráfico da Figura 6. Tabela 6. Espessura dos revestimentos. Revestimento TiN TiCN WC/C - TiAlN Multicamadas Espessura (µm) 3,16 1,89 8,29 1,58 Número de furos / µm de revestimento TiN TiCN WC/C MC Figura 6. Desempenho dos revestimentos das brocas de aço-rápido no corte a seco. Nota-se que o TiCN apresentou comportamento semelhante ao do TiN, apesar de sua menor resistência ao desgaste (Sato et al., 1994). O resultado referente ao revestimento WC/C sobre TiAlN refere-se à espessura total da camada revestida, uma vez que o ensaio para medição da espessura considera os dois revestimentos como se fossem uma única camada. Os resultados apresentados por Derflingler et al. (1999) consideram a espessura apenas da camada dura de revestimento. Com base na Figura 7, pode-se verificar que a espessura da camada dura (TiAlN) corresponde à aproximadamente 60% da espessura total do revestimento. substrato Figura 7. Imagem obtida por microscopia eletrônica de varredura da seção transversal do revestimento WC/C sobre TiAlN em substrato de metal duro (Derflinger et al. 1999). Considerando-se apenas a espessura do TiAlN, o desempenho do revestimento assumiria valores próximos aos obtidos para o TiN e TiCN.

9 O TiCN apresenta como principal vantagem a elevada resistência à deformação, propriedade que é especialmente desejável na furação com brocas de aço-rápido O TiAlN, presente no revestimento WC/C, apesar de apresentar elevada resistência ao desgaste e ser um dos revestimentos mais indicados para a usinagem de ferro fundido cinzento, não apresentou desempenho superior ao das ferramentas revestidas com TiN e TiCN, o que pode ser atribuido à sua pequena resistência à deformação. O revestimento multicamadas (MC) apresentou desempenho consideravelmente melhor que os demais, não só no corte a seco, mas também no corte com aplicação de mínima quantidade de fluido, conforme mostrado na Figura 8. Os resultados apresentados na Figura 8 mostram que a superioridade do desempenho do revestimento multicamadas fica ainda mais pronunciada na usinagem com fluido de corte. A aplicação de mínima quantidade de fluido possibilitou o aumento do número de furos por µm de revestimento para todos os revestimentos. O revestimento WC/C sobre TiAlN foi o que apresentou menor aumento com a aplicação do fluido de corte. O TiN e o TiCN não apresentaram diferenças no desempenho entre si, a exemplo do que ocorreu nos ensaios a seco. Número de furos / µm de revestimento TiN TiCN WC/C MC Figura 8. Desempenho dos revestimentos das brocas de aço-rápido no corte com mínima quantidade de fluido. 4. CONCLUSÕES Com base nos resultados apresentados, pode-se concluir que: No corte a seco, o grupo de ferramentas não revestidas apresentou o pior resultado, seguido pelo grupo das revestidas com TCN. Os grupos das ferramentas revestidas com TiN, WC/C sobre TiAlN revestimento multicamadas apresentaram desempenhos equivalentes; A aplicação de fluido de corte em abundância apresentou resultados pouco conclusivos e com grande dispersão. O desempenho das ferramentas revestidas com TiCN ewc/c sobre TiAlN merece maiores investigações; Na furação com mínima quantidade de fluido as ferramentas com revestimento multicamadas apresentaram desempenho superior aos dos demais grupos de ferramentas; A análise dos resultados de desempenho de revestimentos mostrou que o revestimento multicamadas apresentou melhores resultados tanto na condição a seco quanto com aplicação de mínima quantidade de fluido de corte;

10 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à OSG Ferramentas de Precisão Ltda. pelo fornecimento das brocas helicoidais e à Balzers Balinit do Brasil pela deposição dos revestimentos. 6. REFERÊNCIAS Chen, W. C., Liu, X. D., 2000, Study on the Various Coated Twist Drills for Stainless Steels Drilling, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 99, pp Chen, W. C., Tsao, C. C., 1999, Cutting Performance of Different Coated Twist Drills, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 88, pp Cselle, T. 1998, Carbide Drills: at the Peak of Development? Guhring Company, 85 p. Derflinger, V., Brändle, H., Zimmermann, H., 1999, New Hard/Lubricant Coating for Dry Machining, Surface and Coating Technology, Vol. 113, pp Posti, E., Nieminen, I., 1989, Coating Thickness Effects on the Life of Titanium Nitride PVD Coated Tools, Materials & Manufacturing Processes, Vol. 4 (2) pp Posti, E., Nieminen, I., 1989, Influence of Coating Thickness on the Life of TiN-Coated High Speed Steel Cutting Tools, Wear, Vol. 139, pp Tönshoff, H. K., Seegers, H., 2000, Influence of Residual Stress Gradients on the Adhesion Strength of Sputtered Hard Coatings, Thin Solid Films, Vol , pp Young, C., T., Rhee, S. K., 1986, TiN Coatings on Drillings for Wear Reduction, Wear, Vol. 7 (1), pp STUDY OF HSS COATED DRILLS PERFORMANCE WHEN MACHINING FH 190 GREY CAST IRON ON DIFFERENT CUTTING FLUID CONDITION Sandro Cardoso Santos Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Rua Dom José Gaspar 500, Prédio 10, Sala 101, Coração Eucarístico, CEP , Belo Horizonte, Minas Gerais, sandro@pucminas.br. Marcio Bacci da Silva Universidade Federal de Uberlândia, Campus Santa Mônica, Bloco 1M, Uberlândia, Minas Gerais, mbacci@mecanica.ufu.br. Wisley Falco Sales Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Rua Dom José Gaspar 500, Prédio 10, Sala 101, Coração Eucarístico, CEP , Belo Horizonte, Minas Gerais, wisley@pucminas.br. Abstract. The influence of different coatings and application of cutting fluids in performance of HSS drills when machining gray cast iron is investigated in this work. Tools were divided into five different groups, according with coating nature: uncoated, TiN-coated, TiCN-coated, WC/C-TiAlN coated and multilayer coating. The performance of cutting tools was determined in terms of tool life, measured in number of holes. Influence of different coatings was determinate in number of holes per coating thickness. Machining tests were carried out on three different cutting fluid conditions: dry, high volume of cutting fluid and minimal lubrication. Results showed influence of coating and cutting fluids on drill life. Keywords: drilling, coated drills, minimal lubrication, cutting fluids