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TORNEAMENTO EM ALTAS VELOCIDADES DE CORTE DO FERRO FUNDIDO CINZENTO FC250 COM FERRAMENTAS À BASE DE NITRETO DE SILÍCIO Fernando de Souza Pereira,
[email protected] Lourival Boehs,
[email protected] Wilson Luiz Guesser,
[email protected] Adriana Ana Pereira,
[email protected] 1Universidade Federal de Santa Catarina, Caixa postal 476 - Cep.:88040-900 – Florianópolis – SC 2 Tupy Fundições, Joinville - SC 3 Instituto Nacional de Propriedade Industrial, Rio de Janeiro - RJ
Resumo: A usinagem em alta velocidade de corte (HSM) tem grande importância para indústria mundial devido os benefícios que essa tecnologia proporciona em termos de redução de tempo de fabricação, diminuição de custos e melhoria na qualidade do produto final. Altas velocidades de corte exigem máquinas muito rígidas e com disponibilidade de elevadas rotações no eixo árvore, alem disto, ferramentas com elevada resistência ao desgaste. Diante de tais requisitos praticar elevadas velocidades torna-se bastante difícil e oneroso, tanto no meio industrial quanto em laboratórios de pesquisa. Em razão de tais questões de grande relevância os autores do presente trabalho têm como objetivo apresentar resultados da pesquisa, em altas velocidades de corte, que realizaram com processo de torneamento de ferro fundido cinzento e ferramentas de corte a base de nitreto de silício (β-Si3N4). O já citado ferro fundido é um material amplamente utilizado na fabricação de componentes para indústria, como blocos e cabeçotes de motores, discos e tambores de freios, componentes e bases de máquinas ferramentas, componentes hidráulicos, dentre muitos outros. Os experimentos da pesquisa foram realizados em um torno CNC com potência instalada nominal de 75 kW, barramento inclinado e muito robusto. As velocidades de corte utilizadas estão situadas entre 400 m.min-1 a 1400 m.min-1. A análise dos resultados, especialmente no que tange o desgaste das ferramentas, foi realizada com microscopia óptica e eletrônica, procurando desta forma caracterizar os tipos e mecanismos responsáveis pelo desgaste das ferramentas. Resultados muito interessantes foram encontrados em relação ao desgaste das ferramentas, mostrando que nas velocidades mais altas ocorre um menor desgaste, fato este não comum na usinagem dos materiais. Assim, entende-se que os resultados encontrados e que serão discutidos ao longo do trabalho proposto são relevantes tanto para as aplicações industriais quanto para as pesquisas no campo dos materiais para ferramentas de usinagem e para a usinabilidade dos materiais das peças. Palavras-chave: Usinagem com alta velocidade (HSM), Ferro fundido cinzento , Torneamento, Ferramentas a base de nitreto de sílicio
1. INTRODUÇÃO A usinagem em alta velocidade de corte (HSM) tem grande importância para indústria mundial devido aos benefícios que essa tecnologia proporciona em termos de redução de tempo de fabricação, diminuição de custos e melhoria na qualidade do produto final. A velocidade de corte é o único fator de comparação que pode ser variado até os padrões de altas velocidades no processo de torneamento. Recentemente algumas pesquisas têm mostrado uma característica atípica do ferro fundido cinzento durante a usinagem, ou seja, nesse material ocorre um aumento na vida da ferramenta para crescentes velocidades de corte, compreendidas entre 200 m/min e 800 m/min utilizando ferramenta de CBN, sendo segundo Schulz e Abele (2002), tendo-se o sulfeto de manganês como um dos responsáveis por este comportamento atípico. Pereira (2010) estudou os fenômenos químicos e físicos – tribológicos, desenvolvidos na interface cavacoferramenta durante a usinagem do ferro fundido cinzento FC 250 com ferramentas de corte à base de β-Si3N4 a fim de entender os fatores responsáveis pelo aumento da vida da ferramenta (redução do desgaste) com o aumento da velocidade de corte. Os experimentos foram realizados através do processo de torneamento externo longitudinal nas velocidades de 300, 400, 500 e 700 m/min, mantendo fixos f =0,2 mm/rev, a p = 2 mm e o comprimento usinado de 1600
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mm. Utilizando o microscópio eletrônico de varredura para a medição do desgaste de flanco das ferramentas utilizadas, mostraram que o desgaste de flanco das ferramentas em função da velocidade de corte diminui com o aumento da velocidade de corte. Esse (resultado está em concordância com os obtidos por YAMANE et. al. 1987, 1990; LIU et. al. 2002; SAHM et. al. 2002). Fundamentando-se nas provas obtidas através da utilização de técnicas avançadas e de alta resolução, Pereira (2010) sugere que a redução do desgaste da ferramenta a base de β-Si3N4 na usinagem do referido ferro fundido com o aumento da velocidade é resultado: da formação de uma camada com alta concentração de alumínio fortemente aderida ao gume da ferramenta, da redução das componentes da força de usinagem e da transferência seletiva das inclusões de MnS presentes no material da peça para a superfície da ferramenta. A pesquisa feita por Pereira (2010) representa uma importante contribuição para o avanço do conhecimento na área de fabricação por processos de usinagem, tanto pelo aspecto dos resultados obtidos, quanto pela metodologia e combinações de técnicas que foram utilizadas. Mas devido à limitações da máquina utilizada pela pesquisadora, isto em de termos de rigidez e valores de rotação disponível para os ensaios de usinagem, ela não teve condições de utilizar velocidades superiores a 700 m/min. Os autores deste artigo realizaram a continuação da pesquisa utilizando o processo de torneamento em alta velocidade, superiores a utilizadas por Pereira (2010), sendo que os corpos de provas utilizados foram da mesma corrida de fundição. 2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS A comprovação do comportamento atípico na usinagem do ferro fundido cinzento foram pesquisados com base nos tipos e mecanismos de desgaste em ferramentas a base de nitreto de silício utilizadas em experimentos de torneamento externo longitudinal de curta e longa duração, com diferentes velocidades de corte situadas entre 400 e 1400 m.min -1, mantendo-se fixos o avanço de 0,2 mm/rev e profundidade de 2 mm. Os experimentos foram efetuados com duas réplicas e os parâmetros de corte referente ao avanço e profundidade foram mantidos os mesmos utilizados por Pereira (2010). Para realização dos experimentos foi utilizado um torno da marca Heynumat 10U fabricação Alemã com potência do eixo árvore de 75 kW, rotação máxima de 4500 rpm e equipado com comando CNC Siemens 802D. Tal equipamento está disponível no Laboratório USICON da Universidade Federal de Santa Catarina. Os corpos de prova de ferro fundido cinzento FC 250 para esta pesquisa foram produzidos em condições de fabricação comercial pela empresa Tupy Fundições, utilizando um forno de indução de média freqüência. A composição química nominal dos corpos de prova fornecidos para a pesquisa é mostrada na tabela 1. Tabela 1. Composição química do ferro fundido cinzento FC 250 (%). S 0,10
Mn 0,39
P 0,028
Cu 0,89
Sn 0,085
Ti 0,011
C 3,38
Si 1,91
Cr 0,288
Os corpos de prova produzidos para os experimentos eram de forma cilíndrica e vazados, com espessura de parede de 27 mm para assegurar a homogeneidade microestrutural ao longo da seção transversal.
Figura 1. Corpo de prova montado no eixo cônico e geometria do corpo de prova FC 250. Devido à dificuldade de fixação do corpo de prova na máquina foi necessária a construção de um eixo com uma superfície cônica, com porca e contraporca para uma fixação por interferência entre o corpo de prova e o eixo, tornando mais segura à fixação na máquina. Essa modificação exigiu a usinagem cônica interna dos corpos de prova para um perfeito acoplamento do corpo de prova ao eixo. Os ensaios de usinagem foram desenvolvidos com ferramentas de cerâmica à base de nitreto de silício (β-Si3N4) sem cobertura, classe 6090 SNGA 120408 T02520, na forma de insertos reversíveis fixados no porta ferramenta DSSNR 2525 M12-2. Tanto as ferramentas de corte quanto o porta ferramenta são do fabricante Sandvik Coromant.
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Para medição do desgaste de flanco, escolhido como critério para avaliar a usinabilidade do material nas diversas velocidades de corte, foi utilizado um microscópio de ferramentaria da marca Nikon, modelo Measurescope, com resolução de mesa micrométrica de 0,001 mm. Para a medição com mais precisão do desgaste de flanco, identificação das causas do desgaste nas ferramentas de corte e obtenção do mapeamento dos elementos químicos foi necessário a utilização de um microscópio eletrônico de varredura (MEV) disponível no LCME – Laboratório Central de Microscópia Eletrônica da UFSC. Com a programação CNC pronta foi realizada uma pré usinagem dos corpos de prova com ferramenta de metal duro sendo removida uma camada de cerca de 3 mm de espessura na superfície externa do mesmo, evitando que falhas de fundição e que vestígios de areia de fundição afetassem o desempenho da ferramenta de corte a β-Si3N4 durante os experimentos. Os experimentos de usinagem por torneamento foram realizados em velocidades de 700, 800, 900, 1000, 1200 e 1400 m.min-1, com comprimento usinado de 1600 mm, f = 0,2 mm/rot e ap = 2mm. Para aumentar a confiabilidade dos resultados foi realizada uma repetição dos experimentos, utilizado um segundo gume de cada ferramenta de corte nas mesmas condições do primeiro ensaio. Também foram realizados experimentos de usinagem de maior duração, em velocidades de 400 e 1200 m.min-1 isto para constatar se o comportamento do desgaste das ferramentas continua com o mesmo comportamento. Devido à quantidade de material disponível para a velocidade de 400 m.min -1 o comprimento usinado foi de 4800 mm e para a velocidade de 1200 m.min-1, o comprimento usinado foi de 9600 mm. Depois dos experimentos realizados, todas as ferramentas foram analisadas com o objetivo de avaliar o mecanismo de desgaste ocorrido na usinagem ferro fundido cinzento FC 250, para isso foi utilizados o microscópio óptico e eletrônico de varredura. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados obtidos nos ensaios de usinagem referente ao desgaste de flanco da ferramenta à base de β-Si3N4 em função da velocidade de corte são apresentados na figura 2. O intervalo entre 300 e 700 m.min-1, é referente à pesquisa de Pereira (2010) e a continuação deste trabalho corresponde ao intervalo de 700 a 1400 m.min -1. Lembrando que em ambos os intervalos de velocidades foram mantidos constantes os valores do avanço e da profundidade de corte em 0,2 mm e 2 mm, respectivamente. Da análise da Figura 2, observam-se duas regiões, quais sejam:
Figura 2. Desgaste de flanco em função da velocidade de corte, (a p = 2 mm, f = 0,2 mm, pastilha à base de βSi3N4, comprimento usinado de 1600 mm). A seguir serão apresentados os mapas de composição química para as ferramentas empregadas nos experimentos de usinagem no intervalo de 700 a 1400 m/min, figuras 4, 7 e 9, respectivamente. Na usinagem a 700 m/min, observa-se um acumulo de enxofre e manganês no gume da ferramenta, indicando que a inclusão de MnS, presente no material da peça, aderiu à ferramenta de corte. Nesta mesma região é observado uma alta concentração de alumínio e de oxigênio. Apesar do erro associado à quantificação do elemento oxigênio pelo EDS, pode-se sugerir que o alumínio encontra-se no gume na forma de Al2O3. Este resultado é semelhante ao apresentado
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por Pereira (2010), para usinagem a 700 m/min. Portanto, confirma-se neste trabalho, que o alumínio no material da ferramenta de corte ocupa um papel de destaque na manutenção das inclusões de MnS no gume da ferramenta, reduzindo assim o desgaste da ferramenta.
FLANCO
DESGASTE DE FLANCO
CHANFRO
CHANFRO
FACE FACE
Figura 3. Marca do desgaste de flanco a velocidade de 700 m.min-1. FACE
FLANCO
CHANFRO
FA CE
Figura 4. Distribuição dos elementos químicos nas superfícies da ferramenta à base de β-Si3N4 usada na usinagem do ferro fundido FC 250 a Vc = 700 m.min -1.
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No espectro mostrado na figura 5, os elementos Si, N, O e Al são oriundos do material da ferramenta de corte. A caracterização detalhada do material da ferramenta usada neste trabalho pode ser consultada na obra de Pereira (2010), e os elementos manganês e ferro pertencem ao material dos corpos de prova usado nesta pesquisa.
Figura 5. Espectro da composição química a Vc = 700 m.min-1. Na usinagem a 1200 m/min, a distribuição dos elementos químicos na superfície da ferramenta é semelhante ao observado nos mapas de composição da ferramenta empregada na usinagem a 700 m/min e a marca do desgaste da ferramenta é praticamente o mesmo, figuras 3 e 6. Há um acumulo de enxofre e manganês no gume da ferramenta indicando que a inclusão de MnS, presente no material da peça, aderiu à ferramenta de corte. Nesta mesma região é observada uma alta concentração de alumínio e de oxigênio. Apesar do erro associado a quantificação do elemento oxigênio pelo EDS, pode-se sugerir que o alumínio encontra-se na aresta na forma de Al2O3.
FLANCO DESGASTE DE FLANCO CHANFRO FACE
CHANFRO
FACE
Figura 6. Marca do desgaste de flanco a velocidade de 1200 m.min-1. No trabalho desenvolvido por Pereira (2010) foi observado que a manutenção das inclusões de MnS no gume da ferramenta dependia, necessariamente, da presença do alumínio (proveniente do elemento de sinterização usado na
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fabricação da ferramenta) na mesma região. Demonstrou-se, no referido trabalho, que a baixa velocidade de corte não havia acumulo de MnS no gume pois não havia alta concentração de alumínio nesta região.
FLANCO
CHANFRO
FAC E
Figura 7. Distribuição dos elementos químicos nas superfícies da ferramenta à base de β-Si3N4 usada na usinagem do ferro fundido FC 250 a Vc = 1200 m.min -1. A distribuição dos elementos químicos na superfície da ferramenta empregada na usinagem a 1400 m/min (figura 8) é semelhante ao apresentado na superfície das ferramentas usadas na usinagem do ferro fundido cinzento FC 250 a 700 e 1200 m/min, Figuras 4 e 7, respectivamente.
FLANCO
CHANFRO
Figura 8. Distribuição dos elementos químicos nas superfícies da ferramenta à base de β-Si3N4 usada na usinagem do ferro fundido FC 250 a Vc = 1400 m.min -1.
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Observou-se, na usinagem a 700, 1200 e 1400 m/mim que os mapas de composição são muito semelhante. Este resultado é convergente com a medição do desgaste da ferramenta. Na figura 9 são mostrados os resultados dos ensaios de longa duração realizados a velocidades de 400 e 1200 m.min-1 mantendo-se constantes o avanço e a profundidade de corte 0,2 mm e 2 mm respectivamente. O objetivo desse ensaio foi manter por mais tempo o contato da ferramenta com o material da peça para poder determinar o comportamento do desgaste.
Figura 9. Curvas do desgaste de flanco em função do comprimento usinado, (a p = 2 mm, f = 0,2 mm, pastilha à base de β-Si3N4). Devido à limitação na quantidade de material para ser ensaiado foi tomado como critério de fim de vida um desgaste próximo de 250 µm. Ao observarmos as curvas de evolução do desgaste de flanco da ferramenta figura 9, constata-se que a velocidade de 400 m.min-1, o critério de fim de vida foi atingido com um comprimento usinado de 4800 mm, enquanto que a velocidade de 1200 m.min-1 o desgaste de flanco atingido foi de 130 μm, com um comprimento usinado de 9600 mm ou seja, o dobro do comprimento usinado é aproximadamente a metade do desgaste de flanco obtido com a velocidade de 400 m.min-1, figura 10. Considerando que a taxa de remoção a 400 m.min-1 é de 160 cm3.min-1 e a taxa de remoção a 1200 m.min-1. é de 480 cm3.min-1, em um comprimento usinado de 4800 mm teremos uma remoção de material 3 vezes maior com um desgaste de flanco da ferramenta 50 % menor. Na figura 10 pode ser observado um desgaste acentuado da ferramenta de nitreto de silício utilizada à velocidade de 400 m.min-1, sendo que à medida que se aproxima da ponta da ferramenta esse desgaste de flanco torna-se maior tendo o seu tamanho máximo na ponta da ferramenta. Com a observação do mapa da distribuição dos elementos químico da figura 11, pode-se sugerir que tal comportamento é devido à pequena camada de alumínio e manganês formada no gume da ferramenta de corte.
FLANCO DESGASTE DE FLANCO
CHANFRO CHANFRO FACE FACE
Figura 10. Marca do desgaste de flanco a velocidade de 400 m.min-1 (Ensaio de longa duração).
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Figura 11. Distribuição dos elementos químicos nas superfícies da ferramenta à base de β-Si3N4 usada na usinagem do ferro fundido FC 250 em ensaio de longa duração a Vc = 400 m.min -1 .
FLAN CO
CHANF RO
Figura 12. Distribuição dos elementos químicos nas superfícies da ferramenta à base de β-Si3N4 usada na usinagem do ferro fundido FC 250 em ensaio de longa duração a Vc = 1200 m.min -1.
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Na figura 12 observa-se, que há uma maior concentração de alumínio e manganês no gume da ferramenta de nitreto de silício tornando a marca do desgaste de flanco da ferramenta utilizada a 1200 m.min -1 aproximadamente 50% menor comparada com o desgaste de flanco da ferramenta utilizada à velocidade de 400 m.min -1 (figura 10). Além disso, na ferramenta utilizada a velocidade de 1200 m.min-1, a marca de desgaste é uniforme em toda a extensão do gume da ferramenta.
4. CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos pode-se concluir que os objetivos da pesquisa foram alcançados e que: Os experimentos comprovam que na usinagem do ferro fundido cinzento FC250 ocorre o aumento da vida da ferramenta para crescentes velocidades de corte, compreendidas entre 400 m.min-1 e 1400 m.min-1; Os resultados mostram que o tipo de desgaste predominante da ferramenta é o desgaste de flanco devido à ação abrasiva da superfície usinada; FAC No intervalo entre 700 m.min-1 e 1400 m.min-1 o desgaste da ferramenta de corte é praticamente constante; -1 -1 E Os mapas de composição química no intervalo de 700 m.min a 1400 m.min mostram um acúmulo de enxofre e manganês no gume da ferramenta, indicando que a inclusão de MnS, presente no material da peça, aderiu a ferramenta de corte. Nesta mesma região ocorre o uma alta concentração de alumínio e de oxigênio. Portanto, essa pesquisa também permite sugerir que o alumínio no material da ferramenta de corte ocupa uma papel de destaque na manutenção das inclusões de MnS no gume da ferramenta, reduzindo assim o desgaste da ferramenta para crescentes velocidades de corte. 5. REFERÊNCIAS Pereira, A.A., 2010, “ Análise do desgaste da ferramenta à base de ß-Si3N4 na usinagem do ferro fundido cinzento FC 250 utilizando técnicas avançadas e de alta resolução”. Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 226p. Abele, E., Sahm, A., Schulz, H.,2002, “Wear Mechanism When Machining Compacted Graphite Iron”. CIRP, Vol. 51, pp. 53-56. Yamane, Y., et al., 1990, “The formation of a Protective Oxide Layer in Machining Resulphurized Free-Cutting Steels and Cast Irons”. Wear, No. 139, pp. 195-208. Liu, Z., et al., 2002, “Machinability of Pearlitic Cast Iron With Cubic Boron Nitride (CBN) Cutting Tools”. Transactions of the ASME, Vol. 124, pp. 820-832. 6. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho.
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High Speed Turning Gray Cast Iron FC250 with Silicon Nitride-based Cutting Tools Fernando de Souza Pereira – Federal University at Santa Catarina – Florianópolis – Brazil. Lourival Boehs - Federal University at Santa Catarina – Florianópolis – Brazil. Wilson Luiz Guesser – Tupy Foundries – Joinville – SC - Brazil Adriana Ana Pereira – The National Institute of Industrial Property (INPI) – Rio de Janeiro – Brazil.
Abstract: High-speed machining (HSM) has great importance for industry worldwide because of the benefits that this technology provides in terms of reduced manufacturing time, reduced costs and improved product quality. High speed cutting require very rigid machines and the availability of high speed spindle, besides tools with high wear resistance. Given these requirements, the use of high speeds becomes very difficult and expensive, both in industry and in research laboratories. Because of these issues of great relevance, the authors of this paper seek to provide research results on the use of high cutting speeds in the process of turning gray cast iron with on silicon nitride-based cutting tools (β-Si3N4). Cast iron is a material widely used in the manufacture of industrial components such as engine blocks and cylinder heads, brake discs and drums, bases and components for machine tools, hydraulic components, among many others. The research experiments were performed on a CNC lathe with 75 kW nominal power, slant bed and very robust. Cutting speeds used in the experiments are between 400 m.min-1 and 1400 m.min-1. The analysis of results, especially regarding tool wear, were performed with optical and electron microscopy, thereby attempting to characterize the types and mechanisms responsible for tool wear. Very interesting results were found in relation to tool wear, showing that at higher speeds there is less wear, and this fact is not common in the machining of materials. Thus, we believe that the results obtained, which will be discussed in this work, are relevant for both industrial and research applications in the field of cutting tool materials and for the machinability of component materials. Keywords: High Speed Machining (HSM), Gray Cast Iron, Turning, Silicon Nitride Cutting Tool.
