Généralités sur les activateurs de croissance

dos parâmetros de usinagem, dado que alguns desses, como a velocidade de corte, o avanço por dente e a profundidade (radial e axial), estão diretamente relacionados à força de usinagem e à temperatura do corte. Elas são responsáveis pela alteração nos tipos e mecanismos de desgaste ou até pelo colapso da ferramenta.

Nos processos de usinagem, a velocidade de corte é o parâmetro que mais influencia na vida da ferramenta (FERRARESI, 1972; CALDEIRANI FILHO e DINIZ, 2002). Arsecularatne et al. (2006) testaram o tempo de usinagem de ferramentas de PCBN (85% de CBN na composição) no processo de torneamento com corte contínuo do aço AISI D2 (62 HRC), utilizando diferentes velocidades de corte (70 – 120 m/min) e valores de avanço (0,08 – 0,2 mm). Os autores verificaram que o tempo de usinagem das ferramentas diminuiu com o aumento da velocidade de corte e com o aumento do avanço. A combinação da menor velocidade de corte com o menor valor de avanço

(vc = 70 m/min e f = 0,08 mm) promoveu o maior tempo de usinagem (por volta de 12

minutos), enquanto o menor tempo de usinagem (por volta de 2 minutos) foi obtido na situação inversa, ou seja, maior velocidade de corte e maior avanço (vc = 120 m/min

e f = 0,2 mm).

Além da imprevisibilidade gerada pelos carbonetos, no fresamento de materiais com baixo índice de usinabilidade, a frequência da alternância entre as fases ativa e inativa pode resultar no aparecimento de trincas, lascamento ou até a quebra da ferramenta (MACHADO et al., 2011). Utilizando ferramentas de metal duro das classes P05-P20 com cobertura de TiCN (PVD) no fresamento do aço AISI D2 (classe C) com 58 HRC, Koshy, Dewes e Aspinwall (2002) investigaram a influência dos parâmetros de usinagem para a obtenção de uma combinação adequada entre o material de ferramenta e o material usinado. Os parâmetros adotados foram ap = 1

mm, ae = 0,5 mm, fz = 0,05 - 0,1 mm e velocidade de corte entre 50 e 150 m/min. O

critério de fim de vida utilizado foi de VBB = 0,3 mm. Resultados mostraram que o

aumento do avanço por dente de 0,05 mm para 0,1 mm resultou em uma diminuição no tempo de usinagem de 60 minutos para 45 minutos utilizando vc = 50 m/min,

enquanto que para vc = 150 m/min, com a mesma variação do fz, quase não houve

diferença no tempo de usinagem. Entretanto, o tempo de usinagem em ambos os casos foi reduzido para 15 minutos. As ferramentas utilizadas falharam majoritariamente pelo desgaste de flanco, como apresentado na figura 3.

Figura 3. Arestas das ferramentas. a) Superfície principal de folga; b) Superfície lateral de folga.

Fonte: Adaptado de Koshy, Dewes e Aspinwall (2002).

Diante dos parâmetros de usinagem utilizados, o material da ferramenta foi adequado o suficiente para resistir aos choques mecânicos e carregamentos térmicos

provocados pelas interrupções durante o fresamento. Caso contrário, teria havido a presença de avarias causadas por trincas, lascamento ou até a quebra da aresta.

Rafai, Lajis e Hosni (2013) também investigaram o processo de fresamento do aço AISI D2 com durezas de 58 e 62 HRC (classe C), utilizando ferramentas de metal duro com cobertura de TiAlN (PVD) e os seguintes parâmetros de usinagem: vc

= 80, 100 e 120 m/min; ae = 3, 4 e 5 mm; ap = 0,5 mm e fz = 0,05 mm, sendo o critério

de fim de vida de VBB = 0,3 mm. O maior tempo de usinagem (t = 9,69 min) foi obtido

com a utilização dos menores valores de velocidade de corte e de profundidade radial (vc = 80 m/min; ae = 3 mm), enquanto o menor tempo de usinagem (t = 5,24 min) para

vc = 120 m/min e ae = 5 mm. O desgaste de flanco foi comum a todas as arestas de

corte para os parâmetros analisados, sendo mais expressivo quando foram adotados parâmetros mais severos. Os autores atribuem o desgaste de flanco principalmente a ação de partículas duras provenientes do material usinado. As arestas de corte sujeitas às maiores velocidades de corte mostraram tendência à fratura (figura 4c), características atribuídas pela existência de excessiva deformação plástica (figura 4b), assim como a presença de trincas na superfície de folga. Já o aumento da profundidade radial de corte (ae) provocou uma maior área de contato entre ferramenta

e o material usinado, acentuando o desgaste nas arestas de corte. Ao diminuir a velocidade de corte, além do mecanismo de abrasão, ocorreu a presença do mecanismo de adesão na superfície de saída da ferramenta. Os resultados ainda mostraram que a taxa de desgaste na aresta foi acentuada com a exposição do substrato de metal duro, incentivando o desgaste por abrasão, adesão e difusão (figura 4a).

Figura 4. a) Abrasão na superfície de saída; b) Deformação plástica na aresta; c) Formação de fratura na aresta.

Kundor, Awang e Berahim (2016) analisaram o tempo de usinagem, os tipos e os mecanismos de desgaste em ferramentas de metal duro no processo de fresamento do aço AISI D2 com 62 HRC (classe C). As ferramentas possuíam cobertura em multicamadas (13 camadas) de TiN, TiCN e Al2O3, sendo depositadas

pelo processo CVD. Os parâmetros de usinagem utilizados foram: vc = 50, 65, 72, 80

e 94 m/min; ae = 20 mm, ap = 1 mm; fz = 0,02 e 0,04 mm, sendo adotado o critério de

fim de vida VBB = 0,3 mm. O maior tempo de usinagem obtido foi com a menor

velocidade de corte e menor avanço por dente (vc = 50 m/min e fz = 0,02 mm),

atingindo um tempo entre 18 e 20 minutos. Por outro lado, o menor tempo de usinagem obtido veio do resultado da aplicação da maior velocidade de corte com o maior avanço por dente (vc = 95 m/min e fz = 0,04 mm), tendo sido provocado uma

fratura na aresta em torno de 1,5 min (figura 5a). Esse resultado foi atribuído pelos autores a alta dureza encontrada no material da peça somada a alta temperatura gerada durante o processo. Quando utilizado vc = 95 m/min e um menor avanço por

dente (fz = 0,02 mm), foi obtido um tempo de usinagem em torno de 5 minutos, tendo

sido a difusão o principal mecanismo de desgaste presente (figura 5b). Para velocidade de corte menores (vc = 50 m/min), os mecanismos de desgaste observados

foram a difusão e a adesão (figura 5c).

Figura 5. a) Fratura na aresta de corte (vc = 95 m/min; fz = 0,04 mm); b) Desgaste na

superfície de folga (vc = 95 m/min; fz = 0,02 mm); c) Desgaste excessivo na aresta (vc = 50

m/min; fz = 0,04 mm).

Considerando os resultados apresentados por Koshy, Dewes e Aspinwall (2002), Rafai, Lajis e Hosni (2013) e Kundor, Awang e Berahim (2016), fica evidente que a velocidade de corte é o parâmetro que mais influencia no tempo de usinagem no fresamento de materiais de elevada dureza. Contudo, outros parâmetros como a profundidade e o avanço por dente também influenciaram fortemente nos resultados. O tempo de usinagem da ferramenta obtido no trabalho de Koshy, Dewes e Aspinwall (2002) utilizando vc = 150 m/min (ae = 0,5 mm, ap = 1 mm e fz = 0,05 mm) foi superior

aos encontrados nos trabalhos de Rafai, Lajis e Hoshi (2013) utilizando vc = 120 m/min

(ae = 5 mm, ap = 0,5 mm e fz = 0,05 mm) e Kundor, Awang e Berahim (2016) com vc =

95 m/min (ae = 20 mm, ap = 1 mm e fz = 0,04 mm) sendo esses 60 min, 5,24 min e 1,5

min, respectivamente, todos usinando o aço AISI D2. Em especial, enfatiza-se esse último caso, quando utilizado um fz = 0,02 mm, a ferramenta não suportou os

parâmetros selecionados por um tempo adequado (1,5 min). Nota-se que os valores de ae foram diferentes em cada situação, o que caracteriza o segundo parâmetro que

mais influenciou para essa diferença entre os tempos de vida. De acordo com Ng et al. (2001), o incremento da profundidade radial de corte promove um menor tempo de usinagem de uma mesma superfície, mas maiores são as componentes da força de usinagem presentes no processo, assim como, possíveis fraturas nas arestas de corte.

A seleção de parâmetros de usinagem e material de ferramentas para determinar a viabilidade na utilização dos processos de fresamento e torneamento com corte interrompido de materiais com menores índices de usinabilidade (classe D e C) é sempre um desafio, uma vez que a maior quantidade de carbonetos presentes na microestrutura desses materiais aumenta as possibilidades no aparecimento de avarias nas arestas. Saketi et al. (2015) investigaram o fresamento de dois diferentes aços para trabalho a frio Uddeholm Vanadis 4 Extra (V4E) e Uddeholm Vancron 40 (V40), utilizando ferramentas de PCBN e os seguintes parâmetros de usinagem: vc =

100 e 150 m/min, fz = 0,1 mm, ap = 0,5 mm e ae = 12,5 mm. A principal característica

desses materiais quanto a composição é alta quantidade de cromo e vanádio, elementos formadores de carbonetos. De acordo as características microestruturais, o material V4E (~64 HRC) pode ser incluído na classe C, uma vez que 8% de sua fração volumétrica são de carbonetos do tipo MC (1-2 µm). Esse possui uma composição química semelhante ao aço AISI D7. Quanto ao aço V40 (~64 HRC), sua

composição também se assemelha ao aço AISI D7, porém com a adição do tungstênio e do nitrogênio o que o diferencia do V4E. Essa característica na composição resulta na formação de 5% de carbonetos do tipo M6C (1-2 µm) e de 19% de carbonitretos

(0,7 µm), podendo ser classificado como pertencente a classe D. As ferramentas de PCBN utilizadas continham cerca de 85% de CBN em sua composição (alto teor de CBN). Essas foram testadas em tempos estipulados de 10, 20, 30 e 40 minutos, observando o desgaste de flanco em cada caso. As arestas de corte que usinaram o aço V4E, utilizando as duas velocidades selecionadas, suportaram todos os tempos de usinagem estabelecidos, não apresentando avarias nas arestas. Cabe ressaltar que tanto o aumento da velocidade de corte quanto o aumento do tempo de usinagem resultaram em maiores valores de desgaste de flanco, como pode ser observado na figura 6. As arestas de corte que usinaram o aço V40 suportaram os tempos de usinagem estabelecidos utilizando vc = 100 m/min. Contudo, para vc = 150 m/min, as

arestas de corte resistiram apenas o tempo predeterminado de 10 minutos (VB1= 75 µm), tendo ocorrido a quebra da aresta para tempos maiores. Foram observados a presença de microlascamentos para tempos maiores que 10 minutos, sendo essa a principal hipótese pelo qual ocorreu a falha das arestas.

Figura 6. Comportamento do desgaste de flanco em ferramentas de PCBN para diferentes tempos de usinagem. a) Aço V4E, b) Aço V40.

(a) (b)

Fonte: Adaptado de Saketi et al. (2015).

Oliveira, Boing e Schroeter (2016) avaliaram o torneamento com corte interrompido (4 interrupções) do ferro fundido branco com alto teor de cromo (classe D) utilizando ferramentas de PCBN com altos e baixos teores de CBN nas arestas. O material do componente mecânico usinado continha em sua microestrura 28% de carbonetos do tipo M7C3 (~70 HRC) espalhados em uma matriz perlítica (~48 HRC).

A ferramenta com baixo teor de CBN (Sandvik CBN 7025) continha uma fase cerâmica com teor CBN de 40 a 65%, enquanto as ferramentas com alto teor de CBN (Sandvik CBN 7050) continham um teor de CBN de 85%. Os parâmetros de usinagem utilizados foram: vc = 200 m/min; f = 0,08 mm e ap = 0,15 mm. Adotando como critério de fim de

vida da aresta um desgaste de flanco de VBB = 0,2 mm, as duas ferramentas exibiram

tempos de vida bem semelhantes, em torno de 13 minutos. Nas arestas de ambas as classes, não foram notadas falhas catastróficas, o que é um indicativo da viabilidade do processo para essas condições. Para a ferramenta com baixo teor de CBN, marcas de desgaste por abrasão foram notadas tanto na superfície de saída, como na superfície de folga (figura 7a). Para as ferramentas com alto teor de CBN, também foi notado desgaste por abrasão nas superfícies de folga e de saída da ferramenta, porém, não houve evidências de microlascamentos na aresta (figura 6.b). Essa característica é atribuída a alta tenacidade em função da maior quantidade de CBN existente no substrato. Para esse caso, foi notado o desgaste adesivo na aresta secundária de corte. A ocorrência desse mecanismo de desgaste pode ser identificada por duas características: a) região com topografia distante do desgaste abrasivo; b) presença de lamelas de deposição. Contudo para confirmação da evidência, é necessário a realização de uma análise EDS, verificar a existência de elementos químicos típicos do material usinado. Ainda nessa região, nenhuma evidência de desgaste por difusão foi notada para as duas classes de PCBN utilizados.

Figura 7. Vista da aresta desgastada após o torneamento com corte interrompido. a) Sandvik CBN 7025; b) Sandvik CBN 7050.

Fonte: Oliveira, Boing e Schroeter (2016).

Para materiais com baixos índices de usinabilidade (classes C e D), os parâmetros de usinagem precisam ser mais brandos, uma vez que as características microestruturais desses materiais já impõem um grande desafio às arestas. Como

também, é essencial a utilização de materiais de ferramenta que suportem o esforço ocasionado pelos carbonetos durante a usinagem. De acordo com Saketi et al. (2015) a utilização de um material usinado da classe C (Uddeholm aço V4E) permitiu que as ferramentas suportassem as condições estabelecidas, mesmo para velocidades de corte maiores. Ao utilizar o material da classe D (Uddeholm aço V40), o aumento da velocidade de corte provocou a quebra da aresta acima de 10 minutos de usinagem, mesmo utilizando uma ferramenta com alto teor de CBN. Para o último caso, o aumento da velocidade de corte se mostrou inadequado. Oliveira, Boing e Schroeter (2016) mostraram que ferramentas com baixo teor de CBN são mais frágeis aos impactos causados pelos carbonetos do material usinado, apesar das duas classes de materiais de ferramentas terem apresentado tempos de vida semelhantes. Com isso, nota-se que ferramentas com aresta de PCBN podem ser uma opção inicial à usinagem de materiais da classe D, dependendo das condições de usinagem (parâmetros, estratégia e número de interrupções).

Ferramentas com arestas de PCBN são encontradas no mercado com diferentes teores de CBN. Tipicamente existem classes com elevado teor de CBN (> 85% wt.) e baixos teores de CBN (< 85% wt. mais adição de fase cerâmica). As arestas de PCBN com baixo teor de CBN são amplamente empregadas na usinagem de materiais com baixo índice de usinabilidade. Resultados obtidos na literatura mostram um diferente desempenho para algumas ferramentas com arestas com baixo teor de CBN. Wojciechowski e Twardowski (2012) analisaram a utilização de ferramentas de metal duro revestidas com TiAlN e ferramentas de PCBN (teor de CBN não informado) durante o fresamento do aço da AISI D2 com 60 HRC (classe C) para diferentes velocidades de corte (vc = 100 – 500 m/min), utilizando os parâmetros: ap = 0,1 mm,

fz = 0,02 - 0,1 mm e valor de ae omitido pelos autores. É possível observar na figura 8

que o comportamento das ferramentas de metal duro correspondeu ao esperado, apresentando uma diminuição do tempo de usinagem da ferramenta para cada aumento na velocidade de corte. No entanto, é perceptível que o comportamento da ferramenta de PCBN foi diferente da de metal duro, tendo rendimento menor em velocidades mais baixas, chegando a um tempo de usinagem máximo em uma faixa intermediária de velocidade (vc = 300 m/min) e descrescendo novamente para as

ferramentas de PCBN se sobressae ao das de metal duro apenas na mais alta faixa de velocidade selecionada (em torno de 420 m/min).

Figura 8. Vida de ferramenta de PCBN e metal duro em função da velocidade de corte.

Fonte: Adaptado de Wojciechowski e Twardowski (2012).

Um comportamento similar foi obtido por Koshy, Dewes e Aspinwall (2002) no processo de fresamento do aço AISI D2 (classe C) utilizando ferramentas de PCBN (45% de CBN e 55% de TiN) com os parâmetros de usinagem: ap = 1 mm, ae = 0,5

mm, fz = 0,05 - 0,1 e vc = 200 - 500 m/min. De acordo com os resultados, o maior

tempo de usinagem (em torno de 13 minutos) ocorreu quando foi aplicada uma velocidade de corte em uma faixa entre vc = 200 a 300 m/min. Uma hipótese

encontrada na literatura para explicar esse comportamento em materiais com baixo índice de usinabilidade é que, para velocidades de corte menores, o material do componente mecânico usinado se encontra duro e resistente ao desgaste, provocando uma menor vida de ferramenta. À medida que a velocidade de corte aumenta, ocorre o aumento da temperatura na zona de cisalhamento secundário, e por consequência, a redução da tensão de cisalhamento do material do componente mecânico, aumentando seu índice de usinabilidade. Associado a esse fenômeno, as ferramentas com aresta de PCBN contendo uma fase cerâmica, possuem tenacidade e resistência à temperatura suficientes a manter suas propriedades com o aumento da severidade dos parâmetros de usinagem até certo ponto, ou seja, até condições de velocidades de corte mencionadas. Ao aumentar novamente a velocidade, a temperatura da região de corte aumenta, intensificando não só os mecanismos de desgaste, mas também aumentando a frequência das interrupções durante o processo de usinagem, podendo favorecer o aparecimento de avarias nas arestas

(WOJCIECHOWSKI e TWARDOWSKI, 2012; CALDEIRANI FILHO e DINIZ, 2002; GODOY e DINIZ, 2011).

Para ferramentas com alto teor de CBN, a variação da velocidade de corte mostrou resultados semelhantes ao que ocorre com o metal duro (tempo de usinagem descrescente com o aumento de vc), no entanto, suportando condições mais severas

de usinagem. A figura 9 mostra o comportamento do tempo de usinagem com aumento da velocidade de duas ferramentas com diferentes porcentagens de PCBN em suas arestas. Chou e Evans (1999), utilizando vc = 120 m/min, 240 m/min e 468

m/min (ap = 0,05; f = 0,125 mm, VBB = 0,5 mm), encontraram que arestas com alto

teor de CBN (92% com aglomerante de cobalto) tiveram melhor desempenho para velocidades menores no processo de torneamento com corte interrompido (4 interrupções) do aço AISI M50, diminuindo bruscamente o tempo de usinagem da ferramenta para velocidades medianas e descrescendo com menor intensidade para maiores velocidades, assim como é de observar na figura 9. Para as ferramentas com menor teor de CBN, os autores notaram que em médias velocidades foi notado apenas o desgaste de flanco, de forma que a região de desgaste se apresentou plana e uniforme. Para baixas velocidades (120 m/min), o desgaste de flanco foi dominado por uma região com fraturas, enquanto que para altas velocidades (480 m/min), foram notados sulcos paralelos na direção de corte, sendo essas características de trincas originadas por efeitos mecânicos (Machado e Silva, 2004). Nas ferramentas com alto teor de CBN, os autores destacaram que em baixas velocidades de corte (120 m/min), foi percebida a presença de material da peça em uma pequena área desgastada, caracterizando o desgaste adesivo. Já para altas velocidades (480 m/min), foi percebida a presença de ranhuras, que segundo os autores se deu possivelmente pelo arrastamento de partículas arrancadas tanto do PCBN como do material da peça.

Figura 9. Vida da ferramenta com ferramentas de PCBN em função da velocidade.

Fonte: Adaptado de Chou e Evans (1999).

Como visto, as ferramentas com arestas de metal duro e PCBN apresentaram diferentes tempos de usinagem de acordo com os parâmetros selecionados. Portanto, para que seja viável o processo de fresamento e torneamento com corte interrompido em materiais com baixo índice de usinabilidade, a depender da classe do componente usinado, arestas de metal duro ou de PCBN com alto teor de CBN são indicadas, associadas a parâmetros adequados de usinagem, os quais permitam um tempo de usinagem da aresta razoável às aplicações em ambientes de manufatura.