O Mundo da Usinagem16
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A - ISO S15 – 85 m/min B - ISO S15 – 100 m/min C - ISO S15 – 120 m/min
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Usinagem do tit nio

  1. 1. O Mundo da Usinagem16 Marcos Roberto Vargas Moreira Elias Alves da Cunha Hideyuki Okimura Marcos Valério Ribeiro Laboratório de Estudos da Usinagem Departamento de Engenharia de Materiais – FAENQUIL Lorena - SP A usinagem de metal é um processo complexo devido aos vários parâmetros de corte envolvidos no processo. Além disso, as propriedades deste material têm grande influência na sua deformação. Ligas de titânio são classificadas como “ materiais de difícil usinagem”, devido a algumas propriedades tais como baixa condutividade térmica (7 W/m K) e alta reatividade química com a maioria dos materiais de ferramentas de corte. As ligas alfa-beta são amplamente usadas na fabricação de turbina de aeronave devido às excelentes propriedades mecânicas como resistência mecânica e a corrosão à altas temperaturas. Consideramos aqui a in- fluência dos parâmetros de corte (velocidade de corte e classes de ferramentas) em operações de aca- bamento, usando carbeto cemen- tado, estudando o desgaste da fer- ramenta, rugosidade da peça e morfologia do cavaco formado. O titânio apresenta duas for- mas alotrópicas, uma estrutura cristalina hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente, cha- mada fase alfa ( ), que se trans- forma alotropicamente para cúbi- ca de corpo centrado (CCC), cha- mando-se fase beta ( ), a 882 ºC . A presença de elementos de liga estabilizam uma ou outra dessas estruturas: elementos de liga que favorecem a fase (elementos alfagênicos) aumentam a tempe- ratura de transformação alotró- pica e incluem os metais do grupo III-A e IV-A (como o alumínio, gálio e estanho) e elementos intersticiais ou não-metais (como o boro, car- bono, oxigênio e nitrogênio). Ele- mentos de liga que favorecem a fase ( ) (elementos betagênicos) redu- zem a temperatura de transforma- ção alotrópica e incluem os metais de transição do grupo IV como vanádio, nióbio e tântalo. A usinagem da liga de titânio é muito dificultada pela sua alta reatividade quí- mica com os materiais da ferramenta e sua baixa condutividade térmica (aproximada- mente 7,3 W/m K) ge- rando alta temperatu- ra na interface cava- co/ferramenta/peça (Bhaumik, 1995), favo- recendo os mecanis- mos de difusão. Segun- do Ezugwo (1997), cerca de 80% do calor gerado fica retido na ferramen- ta e 20% no cavaco. Segundo Siemers (2001) e Komanduri (1983), o cavaco da liga Ti-6Al-4V é sempre do tipo seg- mentado, independente das con- dições de corte. Estas ligas se caracterizam por um grande custo na fabricação destas peças quando usinadas e um dos maiores motivos deste elevado custo é o custo hora/má- quina. Assim, é interessante dimi- nuir os tempos de usinagem das C Figura 1
  2. 2. Sandvik Coromant do Brasil 17 peças pois os custos na indústria aeronáutica são mais elevados do que nas indústrias convencionais. A escolha da ferramenta adequa- da para uma determinada opera- ção e a determinação correta das condições de usinagem represen- tam um papel importante no tra- balho com metais. Isso se acentua na produção seriada, onde diver- gências na escolha da velocidade de corte e ferramenta podem acarretar variações notáveis nos custos de fabricação. A correlação entre vida e otimização do pro- cesso é muito importante, pois o fator custo adquire um caráter de extrema importância neste cená- rio de intensa competitividade no qual qualidade e produtividade são itens fundamentais. A liga Ti-6Al-4V é muito utili- zada na indústria aeronáutica, principalmente na fabricação de motores, devido a algumas pro- priedades como resistência/peso, resistência à fluência, resistência à fadiga, resistência à corrosão em altas temperaturas, etc. Os cálcu- los relativos ao comprimento de corte Lci , referente à velocidade de corte vci , aos coeficientes x e K de Taylor, vmxp e os custos foram realizados com o auxílio de softwares desenvolvidos no labora- tório de estudo da usinagem LEU. Foram investigados os efeitos da velocidade nos mecanismos de desgaste da ferramenta e no ca- vaco obtido. MATERIAIS E MÉTODOS Os testes de usinagem foram realizados em torneamento cilindrico externo da liga Ti-6Al- 4V utilizando ferramentas VBMT 110304 PF classe ISO P10 (Sandvik CT 5015), VBMT 110304 MF classe ISO M15 (Sandvik GC 1025) com cobertu- ra de TiAlN (PVD) e espessura de 4 e VBMT 110304 UF classe ISO S15 (Sandvik ). A velocidade de corte variou de 85 a120 m/min, fixando o avanço em 0,1 mm/vol- ta e profundidade de usinagem de 0,5 mm sem fluido de corte. As ferramentas apresentam ângulo de posição de 91º e raio de ponta de 0,4 mm. A temperatura na interface ferramenta/peça foi me- dida utilizando pirômetro de radição infra-vermelho modelo Cyclops-52 e a caracterização das ferramentas e dos cavacos foi rea- lizada utilizando microscópio eletrônico de varredura (MEV) LEO, modelo 1450-VP e micros- cópio ótico modelo DM com analizador de imagem Leica QWIN para análise de microes- trutura e morfologia. Todos os testes foram realizados em torno CNC Romi de rotação máxima de 4000 rpm e potência máxima de 10KW. A rugosidade foi medida utilizando um rugosímetro portátil acoplado ao torno, com medidas defasadas em intervalos de 60º com relação ao eixo da peça. A rugo- sidade máxima foi de 0,9 . RESULTADOS E DISCUSSÕES Dos três critérios normalmen- te usados para discutir usina- bilidade e fim de vida da ferra- menta: rugosidade da superfície, desgastes e potência exigida para o corte; utilizamos como critério de fim de vida, a rugosidade. Foram realizadas três séries de testes de usinagem da liga Ti-6Al- Rugosidade obtida: a) ISO S15, b) ISO P10, c) ISO M15
  3. 3. O Mundo da Usinagem18 A - ISO S15 – 85 m/min B - ISO S15 – 100 m/min C - ISO S15 – 120 m/min 4V e medida a rugosidade. As fi- guras (1a, 1b e 1c) mostram o efeito da velocidade de corte na rugosidade superficial. Duas re- giões distintas são observadas na figura 1(a), usando ferramentas classe ISO S15. Na primeira re- gião observa-se uma tendência progressiva similar nas condições de 85 e 100 m/min com compri- mento de corte de 700 m (Ramáx =0,9 ). O segundo as- pecto está relacionado com a ve- locidade de 120 m/min com au- mento severo da rugosidade de 3 com uma vida útil muito cur- ta, por volta de 120m. O excessivo aumento da rugosidade é observado usando ferramenta ISO P10, fig 1(b) aci- ma de 120 m/min. Somente com velocidade de 85 m/min (lc=170 m) a rugosidade foi abaixo de 0,9 . Como observado na figura 1(c), usando ferramenta classe ISO M15, há uma tendência à di- minuição da rugosidade durante a usinagem nas duas ferramen- tas testadas. No caso da condição de 100 m/min, em particular, foi atingido um valor mínimo de rugosidade de 0,6 e porterior aumento para 1,8 . Este fato pode ser explicado devido à de- formação da aresta de corte, fi- guras 2(h) e 2(i). As figuras 2(a), 2(b) e 2(c) mostram o desgaste da ferramen- ta usando metal duro com velo- cidade de 85 m/min, 100 m/min e 120 m/min. Desgaste de crate- ra foi observado em todas as con- dições devido à adesão e posteri- or remoção de material aderido na superfície de saída do cavaco. O desgaste de flanco ocorre prin- cipalmente devido ao atrito en- tre a superfície de folga e a peça e à remoção de partículas do ma- terial da ferramenta, que eventu- almente estejam aderidos ao cava- co e em função da passagem deste sejam arrancadas. Observa-se um desgaste mais acentuado para ferramentas clas- se ISO P10, figuras 2(d), 2(e) e 2(f) com adesão de cavaco na aresta de corte nas três condições, porém não é observada deformação plás- tica na aresta da ferramenta. Nas figuras 2(g), 2(h) e 2(i) observa-se lascamento e adesão do cavaco na D - ISO P10 – 85 m/min E - ISO P10 – 100 m/min F - ISO P10 – 120 m/min G - ISO M15 – 85 m/min H - ISO M15 – 100 m/min I - ISO M15 – 120 m/min Desgaste das ferramentas utilizando diferentes velocidades de corte. Cavaco formando utilizando três classes de ferramenta. A - ISO S15 – 85 m/min B - ISO M15 – 85 m/min C - ISO P10 – 85 m/min Figura 2 Figura 3 [PPPPProdutividaderodutividaderodutividaderodutividaderodutividade]
  4. 4. Sandvik Coromant do Brasil 19 superfície da ferramenta. Após a análise das micrografias, é possível observar que a menor deterioração da aresta de corte ocorre nas ferramentas da classe ISO S15, com melhores resultados de rugosidade. Por outro lado, as outras ferramentas de corte, P10 e M15, apresentaram grande grau de deterioração na aresta de cor- te, em especial da classe M15 com grande desgaste de flanco, lasca- mento e deformação plástica. Na figura 3 pode ser observa- do o cavaco gerado na condição de corte de 85 m/min para as três classes de ferramenta, com unifor- midade nas bandas de cisalha- mento e nos segmentos formados, distinguindo as bandas de cisa- lhamento primária e secundária. CONCLUSÕES Como pode ser notado pelos resultados obtidos, a natureza do cavaco formado influencia na qua- lidade da superfície usinada, no desgaste da ferramenta e no calor gerado durante a operação de corte. Pode ser possível identificar uma relação entre a deformação do cavaco e a qualidade da usina- gem, com uma baixa rugosidade e o calor gerado. AGRADECIMENTOS Em especial à FAPESP e à CA- PES pelo apoio financeiro e à Sandvik Coromant pelo suporte material e técnico. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bhaumik, S.K., Material and design, 16 (1995) 221. Ezugwo, E.O.; Wang, Z.M., Journal of Material Processing Technology, v.68, p. 262-274, 1997. Siermes, C.; Mukherji, D.; Baker, M.; Rosler, J.; Z. Metallkd, march, 2001. Komanduri, R.; Reed, W., Wear, v.92, p.113-123,1983.

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