Baixe Apostila Usinagem PUC Minas - Capítulo 07 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Capítulo 7 Materiais para Ferramentas de Corte A seleção do material de ferramenta a ser empregado é feita com base em uma série de fatores. Abaixo são apresentados os critérios que Shaw (1984), Trent e Wright (1999), Diniz et al. (1999), Marcondes (1999) e Machado e Da Silva (1999) consideram mais relevantes: Dureza do material a ser usinado; Tipo de cavaco gerado pelo material a ser usinado; Processo de usinagem, ou seja, corte interrompido (fresamento), corte contínuo (torneamento), lubrificação do corte, tempo de ciclo, acabamento ou desbaste; Condições da máquina em termos de rigidez (sem folgas/vibrações) , potência, controles durante o processo (in process), sistema de refrigeração das ferramentas; Forma e dimensão da ferramenta; O custo do material da ferramenta é fundamental para a escolha do mesmo, ou seja, sempre se buscará um material alternativo de menor custo; Parâmetros de usinagens como velocidade e profundidade de corte e avanço; Características finais do produto, tais como: qualidade superficial e dimensional requerida. Abaixo, são listadas as principais propriedades que o material da ferramenta deve possuir, porém em função da aplicação uma ou mais propriedades devem se destacar em relação às outras. • Alta dureza (principalmente à quente); • Tenacidade (suficiente para evitar falhas por rupturas); • Alta resistência ao desgaste; • Alta resistência a compressão e ao cisalhamento; • Boas propriedades mecânicas e térmicas, isto é muito importante principalmente para a dureza a quente do material; • Boa condutividade térmica; • Baixo índice de expansão volumétrica; Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 87 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte • Alta resistência ao choque térmico; • Alta resistência ao impacto; • Ser inerte quimicamente. Machado e Da Silva (1999), apresentam os materiais para ferramentas de corte existentes hoje no mercado mundial em ordem cronológica, conforme esquematizado na Figura 7.1. À medida que se desce na lista, ganha-se em dureza (ou resistência ao desgaste) e perde-se em tenacidade, e vice-versa. Aço CarbonoComum Com elementos de ligas (V,Cr) Aço Rápido Aço Semi-Rápido (Baixo W) Aço Rápido (com e sem revestimento) Aço Super -Rápido (elevado teor de V) Ligas Fundidas Metal Duro (com e sem revestimentos) Classes : P, M ,K, N, H, S Cermets (com ou sem revestimento) Cerâmicas (com ou sem revestimento) Ultraduros: CBN-PCBN Diamante Sintético (PCD) Diamante Natural A um en to d a te na ci da de A um en to d e du re za e re si st ên ci a ao d es ga st e Figura 7.1 – Quadro demonstrativo dos materiais para ferramentas. O grande número de ferramentas existentes no mercado torna difícil a escolha e aumenta a complexidade do processo de seleção. O projetista de ferramentas deve considerar todas as propriedades já listadas, mas ele próprio deve destacar as propriedades mais importantes de acordo com o tipo de aplicação. O material Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 88 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte desempenho da ferramenta deixou a desejar, ou seja, esse é um conceito que promete, mas acredita-se que a tecnologia de aplicação ainda carece de melhor desenvolvimento. b. Ferramentas de Aço-Rápido Fabricadas pela Metalurgia do Pó (“Sinterizadas”) São fabricadas pela metalurgia do pó, que tem a vantagem de possibilitar partículas de carbonetos menores e mais dispersas na matriz, além de facultar a incorporação de um número maior de elementos de liga (carbonetos) que o processo de fabricação convencional. Hoje são encontradas no mercado fresas, brocas e outras ferramentas fabricadas por este processo e são normalmente denominadas por HSS-PM (High Speed Steel – Powder Metallurgy). Os aços denominados como Semi-rápidos são os HSS com menores teores de tungstênio. Isto ocorreu durante a Segunda Guerra Mundial em que temeu-se a escassez desse elemento químico e o aço resultante apresentava propriedades mecânicas inferiores. Já os aços Super Rápidos são os HSS com elevados teores de vanádio. Com isto, obteve-se produtos com propriedades superiores o que o habilitou a usinar em condições de corte maiores. 7.3 - Ligas Fundidas (Machado e Da Silva, 1999) Elas formam um outro grupo de materiais de ferramentas de corte e surgiram mais ou menos na mesma época dos aços-rápidos, mas tiveram grandes aplicações somente mais tarde, durante a Segunda Guerra Mundial. São ferramentas a base de Co, contendo W e Cr em solução sólida, e às vezes alguns carbonetos. Estas ligas são mais duras do que os aços-rápidos e mantém esta dureza a temperaturas mais elevadas, e em decorrência disso as velocidades de corte são maiores (em torno de 25%). Na realidade, a não ser em aplicações muito especiais, as ligas fundidas estão caindo em desuso, tanto pela escassez de matéria-prima (e aumento do preço) como também por haver no mercado materiais que se comparam a elas e até as superam a custos menores. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 91 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte 7.4. Ferramentas de Metal Duro O Metal Duro apareceu na década de 20, na Alemanha, quando Schroter conseguiu produzir em laboratório o WC em pó pela primeira vez. A mistura deste pó principalmente com o cobalto, também em pó, trouxe ao mercado um dos mais fantásticos grupos de materiais de ferramentas de corte “os Metais Duros”. Quando os alemães perceberam as excelentes propriedades de dureza e resistência ao desgaste desse material, eles logo o batizaram como “Widia” de (Wie diamond do alemão = como o diamante) e esse foi o segundo marco na evolução dos materiais para ferramentas de corte, após o surgimento do aço rápido. O grande sucesso do metal duro é o fato deles possuírem a combinação de resistência ao desgaste, resistência mecânica e tenacidade em altos níveis. Os metais duros são fabricados pela metalurgia do pó e utiliza partículas duras de carbonetos de metais refratários finamente divididas, então são sinterizado com um ou mais metais do grupo do ferro (ferro, níquel ou cobalto) formando assim, um corpo de alta dureza e resistência a compressão. O metal aglomerante é na maioria das vezes o Cobalto. Uma característica muito importante no metal duro é o tamanho de grão das partículas duras. Partículas grandes produzem maior tenacidade, enquanto partículas pequenas auxiliam na obtenção de um metal duro mais duro e resistente. A primeira ferramenta de metal duro, desenvolvida na Alemanha, continha apenas WC+Co e mostrou-se prodigioso na usinagem de Ferros Fundidos Cinzentos, mas demonstrou baixa resistência a craterização quando usinando aços (Machado e Da Silva, 1999). Para superar este problema adicionou-se Tic, TaC e/ou NbC aos WC + Co reduzindo conseqüentemente os problemas de craterização na usinagem de aços. As razões para isso foram: • O carboneto adicionado (titânio, tântalo e/ou nióbio) tem maiores durezas que o WC e portanto, apresentam maiores resistências ao desgaste • A solubilidade dos carbonetos adicionados no ferro é muito menor que o WC, isto inibe a difusão, que é um mecanismo de desgaste comum a altas temperaturas. • A estabilidade dos carbonetos adicionados é maior que os WC. Isto implica em maiores dificuldades de dissolução e difusão desses elementos. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 92 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte A fabricação do metal duro ocorre por meio da metalurgia do pó e pode ser resumida da seguinte forma: O tungstênio na sua forma original encontrada na natureza é transformado após uma série de reações químicas em tungstênio puro, este é então misturado em carbono puro e levado a um forno a altas temperaturas (1375 º C a 1650 ºC) para formar o WC (Marcondes, 1990). O tamanho de grão de carboneto de tungstênio obtido é da ordem de 0,4 a 7 µm (Jack, 1987). Os carbonetos são então moídos e secados com spray, esta moagem pode ocorrer depois da mistura com o cobalto, na proporção ideal de cada classe, ou opcionalmente pode-se misturar o cobalto (na forma de pó finos) após a moagem. A mistura é comprimida a frio em matrizes, geralmente usando uma adição de cera lubrificante para facilitar esta etapa. Esta cera será extraída do produto durante o tratamento de sinterização. Após a prensagem, o produto já ganha formato final desejado, apresentando uma porosidade da ordem de 50 % em volume, e pode ser manipulado. A sinterização segue imediatamente esta etapa. É realizada a vácuo, em temperaturas da ordem de 1500 º C, com a porosidade sendo reduzida para menos de 0,01 % (Jack, 1987). Esta baixa porosidade é possível de ser obtida devido a fase líquida do metal ligante presente. Após a sinterização o produto sofre uma redução de tamanho, que pode chegar da ordem de 18 %. Antes de ser comercializado, normalmente, o produto é retificado, para formatar as arestas. Observa-se que quando se trata de produtos da classe P ou M , há também a adição de TiC TaC e/ou NbC. A fabricação do metal duro está evoluindo e no início desta década surgiram comercialmente os pós micrométricos, que proporcionaram a fabricação do metal duro com microgrãos. Essa ferramenta ganhou em dureza, mas sem o comprometimento da tenacidade, com ligeira queda na condutividade térmica e com isso, a resistência da ferramenta foi melhorada e sem dúvida, os parâmetros de corte utilizados no processo puderam ser aumentados. A norma ISO classificou os Metais Duros em classe P, M, K, N, H e S, de acordo com o material da peça a ser usinado: • Classe P: usinagem de aços; • Classe M: usinagem de aços inoxidáveis • Classe K: usinagem de ferro fundido; Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 93 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte O revestimento pode ser uma única camada de TiC, ou, mais comum, ser de triplo revestimento de TiC, TiCN e TiN e TiC, AL2O3 e TiN, mas existe registro (Lindstron e Johannesson, 1976 e Reiter e Kolaska, 1986, citado por Quinto et alli, 1988) de ferramentas com até 12 camadas de diferentes revestimentos. Os fabricantes explicam que cada camada tem a sua função específica e a associação de camadas permite oferecer um produto com todas as vantagens possíveis de se obter com a técnica. Figura 7.2 - Ferramentas de Metal Duro Revestidas. O TiC é um revestimento que é muito utilizado como a primeira camada, pois este garante uma coesão muito boa com o substrato. Além disso, o TiC é um dos revestimentos mais duros atualmente utilizados, sua dureza é de HV3000, o que garante alta resistência ao desgaste. Já a alumina (Al2O3) tem várias vantagens, as principais são a inércia química, a dureza e portanto, resistência ao desgaste, e um fato ocorrente é a redução de sua condutividade térmica com o aumento da temperatura. Isto garante uma barreira térmica interessante para a superfície da ferramenta. O TiN se apresenta, normalmente como a camada externa, por proporcionar baixos coeficientes de atrito entre a ferramenta e o cavaco, isto na usinagem dos metais ferrosos. Este material garante menores comprimentos de contato cavaco-ferramenta devido a menor tendência de adesão dos ferrosos neste material. No caso da usinagem dos não ferrosos, como o Al e Cu e suas ligas, fenômeno inverso ocorre, devido à elevada afinidade química do Ti com esses metais e neste caso, predomina-se a adesão e a difusão, o que reduz a vida das ferramentas. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 96 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Um outro revestimento que vem sendo usado ultimamente é o TiNAl ou (TiAl)N que é um nitreto à base de Ti e Al. Este revestimento tem se mostrado excelente para a usinagem de ferros fundidos. A espessura total das camadas revestidas podem variar de 4 a 12 µm e camadas muito espessas podem fragilizar a aresta. Existem hoje no mercado ferramentas de metal duro revestidas com diamante policristalino (PCD) obtidas pelo processo CVD - Deposição Química de Vapor (Clark e Sem, 1998). Neste caso, com camada única, com espessuras maiores que as normais, mas inferiores a 30 µm, elas são aplicadas em ferramentas positivas para desbaste de materiais não ferrosos, como o alumínio, polímeros e compósitos. 7.4 – Ferramentas de Cermets O Cermet é um produto com duas fases: metálica e cerâmica e por esta razão ele situa-se, na classificação entre o Metal Duro e as Cerâmicas. A sua formulação básica é constituída por TiC, TiN e Ni como aglomerante. Devido a elevada quantidade de Ti na sua formulação, que apresenta grande afinidade química com a maioria dos metais não ferrosos, este material tem o seu campo de aplicação limitado à usinagem dos ferrosos. Outros fatores importantes são as suas propriedades térmicas, indesejadas na usinagem: baixa condutividade térmica e grande coeficiente de expansão volumétrica. Com isto, as elevadas temperaturas geradas na interface cavaco-ferramenta promovem grande expansão do material na região termicamente afetada. Os ciclos inerentes ao processo, mesmo no corte contínuo, em que a ferramenta inicia o corte e depois de determinado período ela sai, ocorre o fenômeno de “aquece-esfria” e conseqüentemente “expande-retrai”, promovendo a falha da ferramenta, normalmente por trincas originadas por fadiga de origem térmica. Isto faz com que ele seja utilizado em operações de acabamento e superacabamento de ferrosos, principalmente dos ferros fundidos. Ou seja, nas condições em que a região aquecida da ferramenta é pequena, devido à pequena área de contato cavaco ferramenta (baixos “f” e “ap”). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 97 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Recentemente estas ferramentas estão sendo recobertas com finas camadas de TiN e em testes preliminares tem apresentado bons desempenhos em relação às sem revestimentos. 7.5 - Ferramentas de Cerâmica Os materiais de ferramentas de cerâmicas convencionais podem ser divididos entre óxidos e nonóxidos. O primeiro grupo compreende a alumina (inclusive alumina reforçada com zircônio), alumina mista e alumina reforçada com SiC (Whisker). A principal cerâmica monóxida para ferramenta de corte é baseada em nitreto de silício, e suas propriedades variam de acordo com o processo de manufatura do mercado. 7.5.1 - Composição, Propriedades e Fabricação A comparação entre metal duro e alguns materiais cerâmicos em relação ao resistência mecânica tenacidade (ao corte interrompido), choque térmico (comportamento no corte com refrigerante), afinidade química e dureza a quente (indicada por resistência ao desgaste), pode-se dizer que enquanto os metais duros se mostram superior em relação aos choques térmicos e mecânicos, as cerâmicas se mostram superiores quanto a afinidade química e resistência ao desgaste (Abrão, 1995). As cerâmicas de um modo geral, possuem algumas propriedades melhores e outras piores que os cermets e os metais duros. Na Figura 7.3 mostra-se esquematicamente a comparação das principais propriedades destas ferramentas de corte. O cermet sempre ocupa uma posição intermediária entre o metal duro e a cerâmica, considerando qualquer uma destas propriedades (Machado e Da Silva, 1999). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 98 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte 7.5.2 - Aplicações e Dados Técnicos Uma boa faixa de materiais e componentes podem ser usinados com ferramentas de cerâmica. A Tabela 7.2 sintetiza as aplicações típicas seguindo da descrição das aplicações para cada tipo particular de cerâmica. As aplicações típicas de ferramentas de alumina/zircônio, inclui o torneamento de ferros fundidos cinzento, nodulares e maleáveis (discos e tambores de freios, e cilindros) com velocidades de corte acima de 900 m/min, onde a grande solução e a resistência ao desgaste da dupla Al2O3 e ZrO2. Ligas de carbono e aços ferramentas com dureza acima de 300HB (eixos e mandris para aplicação automotivas), podem também ser usinadas com velocidades acima de 1080 m/min e faixa de avanços em torno de 0.25mm/rev. Desgastes das ferramentas com base de alumina foi estudado por Tönshoff e Bartsch, (1987), quando usinando aço Ck45N (equivalente AISI 1040), e por Kim e Durham (1991) quando usinado aço AISI 1045 e AISI 4340. Os resultados indicaram que a natureza do desgaste de flanco mudava consideravelmente com a composição química do aço, ao qual em muitos casos apresentaram a formação de uma camada de óxido na ferramenta. Estudos indicam que a cerâmica mista, com adição de TiN e TiC, são empregadas para melhorar a resistência ao choque térmico com o aumento da condutibilidade térmica, que dissipa melhor o calor gerado na interface, reduzindo os gradientes térmicos e consequentemente a tensão termicamente induzida. Isto a habilita para o uso em altas velocidades de corte, comparados com as ferramentas de cerâmica branca, com menor risco de fraturas. A dureza a quente (em 100° C) é superior a da cerâmica pura, 800 contra 650 HV, conforme Grearson e Jack (1984). Aplicações típicas, incluem torneamento de ferro fundido abaixo de 35 HRC e acabamento de aços endurecidos de 35 a 65 HRC, e o fresamento de ferro fundido cinzento em componentes de máquinas e pequenas peças automotivas. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 101 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Tabela 7.2 – Aplicações típicas de ferramentas de cerâmica convencional (Kennametal, 1985) Material da Peça Dureza (HBN) Operação Material da ferramenta Velocidade de Corte (m/min) Avanço (mm/rev) Profundi- dade de Corte (mm) Aço Carbono (0.2- 0.5%C) 125-225 Acabamento Torneamento CC620 CC650 550 750 0.4 0.1 0.1-1.0 Aço Ferramenta 560-740 Desbaste Torneamento K090 65-145 0.08-0.35 0.08-1.5 Ferro Fundido Maleável 110-145 Acabamento Torneamento CC620 CC650 800 460 0.1 0.4 0.1-1.0 Ferro Fundido Cinzento 250-280 Fresamento Faceamento SH1 200-700 0.008-0.15 mm/z 0.1-0.5 Ligas a Base de Níquel 200-450 Desbaste Torneamento Kyon 2000 90-215 0.1-0.24 1.5-6.3 A aplicação de ferramentas de nitreto de silício, foi demostrada por Tonshoff e Bartsch (1987) e Buljan e Wayne (1985). Eles mostraram que as ferramentas de nitreto de silício podem ser empregadas com sucesso para usinagem com corte interrompido de aços AISI 1045 (167HB). Isto porque estas ferramentas não obtém a mesma faixa de temperatura do que no corte continuo, minimizando no entanto o comportamento do desgaste, principalmente provocado por difusão. Assim como no caso do metal duro, as cerâmicas estão passando por uma grande evolução tecnológica na sua fabricação. Desde 2002, estão em testes ferramentas fabricadas a partir de grãos da ordem de nanômetros, e essas ferramentas foram então denominadas por “cerâmicas com nanogrãos”. Acredita-se que em pouco tempo esses materiais já estarão totalmente difundidos em utilização pelo mundo afora. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 102 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte 7.6 - Materiais de Ferramentas Ultra-Duros São denominados materiais ultra-duros ou super duros os materiais com dureza superior a 3000 HV. Nesta categoria estão enquadrados o PCBN (Nitreto Cúbico de Boro Policristalino) e o PCD (Diamante Sintético Policristalino). O surgimento destes materiais para aplicações na usinagem é considerado o terceiro marco evolutivo no desenvolvimento das ferramentas de corte. a. O Nitreto Cúbico de Boro Policristalino – PCBN O Nitreto Cubico de Boro é o próximo material mais duro depois do diamante. Ele foi sintetizado pela primeira fez com sucesso em 1957 pela General Eletric Co. USA, seguindo o desenvolvimento do diamante sintetizado. A fabricação do PCBN na combinação do boro e nitrogênio formando a seguinte reação. BCl3 + NH3 BN + 3HCl Como o carbono, o nitreto de boro existe em três formas: hexagonal na forma de grafite e na forma cúbica (CBN) também chamada hexagonal duro (wurtzite). Na Figura 7.4, mostra-se as três possibilidades de arranjo dos átomos do nitreto de boro. Boro Nitrogênio Figura 7.4 – Arranjo dos átomos do nitreto de boro (Heath,1986). O pó de CBN é fabricado submetendo o Nitreto de Boro Hexagonal (HBN) à extremas pressões e temperaturas. O pó obtido neste método e geralmente muito Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 103 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte A percentagem de CBN e o tamanho do grão é que irão caracterizar os tipos de ferramentas de CBN, conforme apresentados nas Figuras 7.7 a 7.9. Figura 7.7 – Ferramenta de PCBN integral (De Beers, 1999). Figura 7.8 – Plaqueta de PCBN brasada sobre substrado de Metal Duro (De Beers, 1999). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 106 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Figura 7.9 – Plaqueta de PCBN brasada sobre substrado de Metal Duro (De Beers, 1999). Propriedades Dentre as propriedades do CBN, algumas são muito vantajosas no que diz respeito à sua utilização em ferramentas de usinagem, são elas: Dureza: Possui altíssima dureza, somente superada pelo diamante, sendo quase duas vezes a dureza da alumina. Tenacidade: Sua tenacidade é similar ao material cerâmico baseado em nitretos e cerca de duas vezes a da alumina. Estabilidade Termoquímica: O CBN é quimicamente mais estável que o diamante, podendo, portanto, usinar ligas ferrosas sem o problema de grande desgaste por difusão. O CBN é estável até temperaturas da ordem de 1200°C. TIPOS Quanto à Fixação e às Formas Nas Figuras 7.10 e 7.11 mostram-se, respectivamente, os principais tipos de fixação disponíveis e formas comercialmente disponíveis. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 107 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Figura 7.10 – Tipos de fixação. Figura 7.11 – Formas de ferramentas disponíveis (De Beers, 1999). Quanto à Aplicação Existem diversos tipos de PCBN no mercado, cada fabricante usa diferentes materiais e quantidades de aglomerantes e diferentes tamanhos e distribuição de partículas. Mas, de uma maneira geral, pode-se dividir os PCBN’s em duas categorias, segundo suas aplicações: 1) PCBN para usinagem em desbaste (ap entre 0,5 e 8,0mm) 2) PCBN para usinagem em acabamento (ap menor que 0,5mm) Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 108 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Quadro Comparativo entre os Fabricantes de PCBN Os principais fabricantes de PCBN no mundo são: 1) General Eletric Co.; 2) De Beers Industrial Diamond Division; Na Tabela 7.3 mostra-se a comparação entre esses fabricantes e as respectivas composições químicas dos seus produtos. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 111 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Tabela 7.3 – Tabela de comparação dos fabricantes de PCBN. QUADRO COMPARATIVO: CARACTERÍSTICAS DE CADA CBN DE ACORDO COM SEU FABRICANTE CBN FABRICANTE CLASSE QUANT. (%) TAM. GRÃO (µm) AGLOMERANTE DUREZA KNOOP (kg/mm2) BZN-6000 93 2,0 METAL 2800 BZN-8100 65 2,0 TiN 2500 BZN-8200 65 2,0 TiN 2600 GE BZN-7000S 82 15,0 Cerâmica 3200 AMBORITE 90 9,0 Cerâmica Al - DBC80 80 6,0 Cerâmica Ti/Al -DE BEERS DBC50 50 2,0 Cerâmica Ti/Al 2750 • As Informações sobre o fabricante SUMITOMO não estão disponíveis. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 112 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Cuidados a Serem Tomados Quando se Utiliza Ferramentas de PCBN 1) Materiais fáceis de serem cortados por outros materiais de ferramenta como aços não endurecidos, não devem ser usinados com CBN; 2) O sistema máquina-ferramenta-dispositivo de fixação-peça deve ser o mais rígido possível; 3) A geometria da ferramenta deve ser negativa (normalmente γ = -5°) para garantir a resistência aos choques, com ângulo de folga α = 5 - 9° e o maior possível ângulo lateral de posição (no mínimo 15°) para minimizar trincas na aresta; 4) A aresta de corte deve ser chanfrada (chanfro de 0,1a 0,3mm x 15 a 25°) o que direciona os esforços de corte para o centro da ferramenta e, assim, diminui a possibilidade de quebra da aresta, conforme esquematizado na Figura 7.12. Figura 7.12 – Detalhe do chanfro da aresta da ferramenta. 5) Sempre que possível fluido de corte deve ser utilizado. Na usinagem do ferro fundido cinzento, onde a utilização de óleo de corte não é recomendada, pode-se tentar a utilização de ar comprimido. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 113 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Partículas de Diamante Carbeto de Tungstênio Alta Pressão Alta Temperatura Figura 7.13 – Esquema do processo físico de obtenção do diamante sintético. Constituição A composição química dos diversos PCD’s encontrados no mercado pra- ticamente não varia, mas suas propriedades variam com o tamanho das partículas de diamante do material, que variam de 2 a 25 µm de diâmetro. Na Figura 7.14 mostra-se algumas granulometrias comercialmente disponíveis. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 116 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte a) Grão Grosso (25 µm de diâmetro), b) Grão Médio (10 µm de diâmetro) e, c) Grão Fino (2 µm de diâmetro). Figura 7.14 - Tamanhos de grãos do diamante encontrados comercialmente. Uma camada de PCD de aproximadamente 0,5 mm de espessura ou é aplicada diretamente sobre uma pastilha de metal duro ou então é ligada ao metal duro por meio de brasagem. A este conjunto de PCD e metal duro dá-se o nome de plaqueta. Normalmente o comprimento da camada de diamante é de alguns milímetros, pouco maior que a profundidade de usinagem que será utilizada, a fim de se economizar material. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 117 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Tipos - Quanto às Formas Nas Figuras 7.15 a 7.17 mostram-se diversas formas comercialmente disponíveis do PCD. Figura 7.15 – Esquema de modos de utilização do PCD. Figura 7.16 – Formas comercialmente disponíveis (De Beers, 1999). Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 118 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de Corte Outro ponto a ser observado é que não só o tamanho do grão influenciará no comportamento de desgaste da ferramenta, mas também a configuração da união desses grãos, conforme esquematizado na Figura 7.19. Figura 7.19 – Possíveis tipos de ligações granulares. Aplicações Metais não Ferrosos Alumínio e ligas de Al/Si; Cobre e suas ligas; Carbeto de Tungstênio; Sinterizados não ferrosos. Não Metálicos Madeira natural e compostos de madeira; Plásticos reforçados com fibras; Cerâmicos; Compostos de Grafite-epoxy; Pedras Naturais; Concreto. Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 121 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de corte Fabricantes Na Tabela 7.4 são mostrados os principais fabricantes mundiais de PCD, as suas classes e respectivos tamanhos de grãos. Tabela 7.4 – Principais fabricantes, respectivas classes e tamanho de grão. FABRICANTES CLASSES TAMANHO DO GRÃO (µm) Série 1500 25 Série 1300 5 General Eletric Co. Série 1600 4 Syndite 002 2 Syndite 010 10 De Beers Industrial Diamond Division Syndite 025 25 DA150 5 Sumitomo Electric Carbide, Inc DA200 0,5 Cuidados a Serem Tomados Quando se Utiliza Ferramentas de PCD • sistema máquina-ferramenta-dispositivo de fixação da peça deve ser o mais rígido possível; • A máquina deve ter potência e velocidades compatíveis às exigências impostas; • Pode ser usada com ou sem refrigerante; • Usar pequeno ângulo da ponta sempre que possível e o ângulo de saída deve ser positivo; Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 122 Fundamentos da Usinagem dos Materiais – Materiais para Ferramentas de corte • Nas aplicações de desbastes interrompidos afiar a ferramenta com um “honeamento” suave (0,03mm); • Ao especificar a compra de uma determinada classe de ferramenta, observar se existe uma equivalência perfeita entre as classes dos diversos fabricantes, caso contrário, os parâmetros de corte e a expectativa de vida da ferramenta devem ser reavaliados. • Um grande problema para uma mais larga utilização do PCD na indústria é o seu custo. Uma ferramenta de PCD simples custa cerca de 20 a 30 vezes mais que o metal duro, enquanto que uma ferramenta de forma mais complexa custa de 50 a 150 vezes mais que uma ferramenta equivalente de metal duro. Porém, deve-se levar em conta outros fatores quando se pensa em custos, principalmente se tem-se uma produção com lotes grandes. O primeiro fator é a qualidade da peça usinada que é muito boa, devido ao fato do pequeno desgaste da ferramenta, o que gera boas tolerâncias e baixa rugosidade superficial. Além disto, porque a vida da ferramenta é muito maior, economiza- se o tempo de parada da máquina para retirada da ferramenta gasta e ajustagem da nova, fazendo com que, muitas vezes, o custo por peça usinada seja menor quando e utiliza o PCD como ferramenta. Considerações sobre a Usinagem da Liga de Alumínio-Silício A mais larga utilização do PCD na indústria manufatureira é na usinagem de ligas de alumínio-silício, quando se deseja tolerâncias apertadas e ótimo acabamento superficial da peça. Este tipo de liga tem substituído outros materiais (em especial o ferro fundido) em muitas aplicações da indústria automobilística, com o fim de redução de peso do veículo. O alumínio puro é um material de fácil usinagem, quando se pensa em termos de desgaste da ferramenta e esforços de corte e seu corte tem sido realizado de maneira satisfatória pelo aço rápido e pelo metal duro. Quando se pensa em termos de ligas alumínio silício, deve-se notar que o silício, que se encontra dissolvido na matriz de alumínio da liga e também disperso no material formando pontos de silício puro, é cerca de 6 a 7 vezes mais duro que o Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 123