Mecanismos e tipos de desgaste da ferramenta

A seleção correta da ferramenta, seu material bem como sua geometria, é fundamental para alcançar o máximo de produtividade durante as operações de usinagem. Em operações de usinagem, as condições não são padronizadas, especialmente no que se refere aos dados de corte e estabilidade geral. Caso alguns desses fatores não estejam adequadamente escolhidos, a vida ideal da ferramenta não será alcançada. Vibrações e falta de rigidez no porta-ferramenta e no dispositivo de fixação da peça contribuem para o desgaste prematuro da ferramenta de corte (Sandvik Coromant, 1994).

Segundo Alauddin et al. (1995), a ferramenta pode chegar ao fim de sua vida por vários motivos: desgaste da ferramenta, lascamento da ferramenta, surgimento de trincas na aresta de corte, deformação plástica da aresta e por falha catastrófica. Os fatores que normalmente influenciam na vida da ferramenta são: velocidade de corte (vc), avanço (f), profundidade de

usinagem (ap), penetração de trabalho (ae), fluido de corte, rigidez do sistema, material da peça,

material da ferramenta e geometria da ferramenta.

A interação entre ferramenta, peça e o cavaco normalmente provoca o desgaste da ferramenta, bem como outros danos, tais como lascas e fissuras térmicas e mecânicas. Os mecanismos causadores de desgastes da ferramenta são a formação de aresta postiça de corte, abrasão mecânica, difusão, atrito, a variação da carga térmica e mecânica e os choques entre a ferramenta e a peça de trabalho (Sandvik, 1994).

Segundo Trent e Wright (2000), a abrasão é incentivada quando o material da peça a ser usinada contém partículas duras. Diniz et al. (2014) relatam que embora a abrasão possa incentivar o desgaste de flanco e o desgaste de cratera, este mecanismo tem maior influencia no desgaste de

flanco devido a superfície de folga da ferramenta estar em contato com um elemento rígido que é a peça, enquanto a superfície de saída da ferramenta (onde ocorre o desgaste de cratera) ocorre o deslizamento e adesão do cavaco, que é um elemento flexível. A capacidade da ferramenta resistir ao desgaste de abrasão está relacionada com a sua dureza. O desgaste da ferramenta provocado pelo mecanismo de abrasão geralmente apresenta sulcos abrasivos paralelos à direção do fluxo do material (Sandvik, 1994).

O mecanismo de desgaste por attrition ocorre geralmente em baixas velocidades de corte, quando o fluxo de cavaco é irregular na superfície de saída da ferramenta. O mecanismo de

attrition pode ser descrito como uma aderência cíclica, onde partículas da ferramenta são

removidas pela continuidade do movimento de escorregamento entre as duas superfícies (cavaco/ferramenta ou ferramenta/peça). Como estas partículas são bastante duras, ao se atritarem com outras regiões da ferramenta, incentivam o desgaste da ferramenta por abrasão. Para que ocorra o mecanismo de desgaste por attrition, o fluxo do cavaco deve ser irregular. O fluxo irregular de cavaco é incentivado pelo corte intermitente, profundidade de usinagem irregular e vibração. As áreas desgastadas pelo mecanismo de attrition tem aparência áspera (Trent e Wright, 2000; Machado et al., 2011; Hashemipour, 1988).

Segundo Machado et al. (2011), o mecanismo de desgaste da ferramenta por difusão envolve a transferência de átomos de um metal para outro. Este mecanismo é dependente da temperatura, da duração do contato e da afinidade físico-química dos metais envolvidos (Diniz et al., 2014).

Este mecanismo de desgaste é o principal responsável pela craterização da ferramenta em altas velocidades de corte, devido a superfície de saída oferecer condições necessárias para a ocorrência da difusão, ou seja, alta temperatura devido à zona de cisalhamento secundário (também chamado de zona de fluxo) e aderência que aumenta o tempo de contato da ferramenta com o cavaco. No entanto, este mecanismo também pode incentivar o desgaste de flanco caso ocorra adesão nesta superfície. O aumento da velocidade de corte causa um acréscimo do desgaste por difusão. Como a difusão acontece em nível atômico, as ferramentas desgastadas por difusão apresentam aparências lisas (Trent e Wright, 2000; Machado et al., 2011; Diniz et al., 2014).

Variações bruscas de temperatura (choque térmico) geram tensões térmicas. Para um material de baixa tenacidade, tais como a cerâmica, um ciclo de tensões térmicas podem resultar

na fratura. Para materiais dúcteis, um elevado número de ciclos térmicos é tolerado antes da falha (Sandvik, 1994).

A ferramenta usada em operações de fresamento sofre choques térmicos a cada revolução. O rápido aquecimento e arrefecimento da ferramenta, uma vez que entra e sai da peça de trabalho em cada rotação pode provocar grandes diferenças de temperatura entre a aresta de corte e a maior parte do inserto, causando trincas perpendiculares à aresta de corte. O aumento destas fissuras pode resultar no lascamento e a quebra da aresta de corte (Johnson, 1996). Trent e Wright (2000) afirmam que a outra causa do aparecimento destas fissuras é o processo alternativo de expansão e contração das camadas ferramenta, quando estas são aquecidas e resfriadas a cada revolução. O uso de fluidos de corte à base de água em operações de fresamento geralmente aumenta variação de temperatura e, consequentemente, ocorre um aumento das trincas térmicas. Esta é a razão para a maior vida da ferramenta em operações de fresamento sem a utilização de fluido de corte.

Os choques mecânicos também são frequentes em operações de fresamento devido à característica do processo, e isso pode também gerar trincas, lascamentos e, consequentemente, a quebra da aresta de corte. Devido este fator, é necessário escolher uma ferramenta de corte com dureza suficiente e também posicionar a ferramenta adequadamente em relação à peça, a fim de tornar os choques menos prejudiciais para a ferramenta (Diniz et al., 2014).

Em operação de fresamento de material endurecido, quando os choques mecânicos são mais intensos, uma ferramenta duplo negativa é mais recomendada, no entanto também pode ser utilizada uma geometria positiva-negativa, a fim de aumentar a resistência ao choque da ferramenta (Sandvik, 1994).

O lascamento da ferramenta pode ocorrer também quando a ferramenta sai do corte em cada revolução. Pekelharing (1984) investigou o comportamento no plano primário de cisalhamento e observou que ele gira e torna-se negativo quando a aresta de corte deixa o corte. Pekelharing (1984) chamou este processo de “foot forming”. O cisalhamento negativo resultante da rotação do plano de corte primário causa a variação da velocidade do cavaco. Este é um processo com rápida alteração: em um momento, ocorre tensão de tração, e logo a seguir, tensão de compressão; isso causa lascamento e quebra da ferramenta se ela não tiver tenacidade suficiente. O ângulo formado entre a aresta de corte e a peça quando a aresta deixa o corte é importante para minimizar o lascamento. Ângulo de saída negativo (figura 2.7 A) e positivo

(figura 2.7 C) são favoráveis, enquanto a posição da ferramenta alinhada com o centro, (figura 2.7 B – ângulo de saída =0°) gera na aresta de corte da ferramenta de fresamento uma tensão desfavorável, devido ao fato que na saída da aresta de corte a espessura de corte é a máxima.

Wojciechowski e Twardowski, (2012) compararam em operação de fresamento com fresa de ponta esférica a vida da ferramenta de pastilhas de metal duro com cobertura de TiAlN com fresas de nitreto de boro cúbico (CBN). Os experimentos foram realizados em aço temperado com dureza de, aproximadamente, 60 HRc, mantendo constante o ângulo de inclinação da superfície e avanço por dente da fresa. Além do material da ferramenta, somente a velocidade de corte foi variada. A pesquisa revelou que o mecanismo de desgaste predominante para a ferramenta de CBN, independente da velocidade de corte, foi o desgaste abrasivo. A ferramenta de metal duro apresentou falha catastrófica da ponta, com velocidade de corte de 500 m/min. Segundo os autores, as ferramentas de metal duro com cobertura de TiAlN podem apresentar maior vida quando comparado com ferramentas de CBN. Em seus experimentos, Wojciechowski e Twardowski (2012) mostraram que na usinagem de material X155CrVMo12-1 em velocidades de corte entre 100 m/min a 300 m/min, as ferramentas de metal duro com cobertura de TiAlN apresentaram vida significativamente maior quando comparada com as das ferramentas de CBN. Segundo os autores, nestas condições o uso de ferramenta de CBN deve ser evitado devido ao fato de o material a ser trabalhado permanecer duro e frágil em baixas velocidades de corte (estas velocidades são consideradas baixas para o uso do CBN), o que, por sua vez, pode causar intenso desgaste abrasivo e também o lascamento da ferramenta de CBN. Foi verificado também nesse trabalho que nessa faixa de velocidades de corte, independentemente do material da ferramenta utilizado, o mecanismo de desgaste predominante foi o abrasivo.

Liu et al. (2002) testaram em seu trabalho o desgaste das ferramentas no processo de usinagem em alta velocidade de corte em fresamento. Os materiais de ferramentas utilizados foram nitreto de boro cúbico (CBN), metal duro com cobertura, cerâmica e metal duro com microgrãos. Os materiais de peças utilizados foram: ferro fundido e aço carbono AISI 1045 temperado. Os resultados mostram que os tipos de desgaste das ferramentas apresentaram comportamentos diferentes. Os principais mecanismos de desgastes mecânicos foram atrito, aderência (ou attrition) e difusão. Na usinagem em aço AISI 1045 temperado com ferramenta de metal duro com microgrãos ocorreu o desgaste de cratera. O desgaste de cratera, em velocidades de corte convencionais, ocorre a uma pequena distância da aresta de corte, mas em altas velocidades de corte este tipo de desgaste ocorre adjacente à aresta de corte, devido a área de contato do cavaco com a superfície de saída da ferramenta ser pequena, o que faz com que a força de corte fique concentrada na adjacência da aresta de corte, incentivando assim o desgaste nesta região. A dureza do material da ferramenta diminui devido à alta temperatura em função da alta velocidade de corte, o que incentiva o desgaste difusivo na superfície de saída da ferramenta. Portanto, quando se utilizou ferramenta de metal duro com microgrãos em alta temperatura de corte, os mecanismos de desgastes predominantes são: abrasão, difusão, aderência (ou attrition) e deformação plástica. A ferramenta de cerâmica apresentou melhores resultados, quando comparada com a ferramenta de metal duro com microgrãos, devido à alta resistência à temperatura e ao desgaste, características fundamentais na usinagem em alta velocidade. Para as usinagens em ferro fundido com ferramenta de cerâmica pura (Al2O3), os autores observaram

dois tipos de lascamentos das ferramentas: a) lascamentos ao longo da aresta principal de corte, tendo como principal causa a fadiga mecânica da aresta de corte; b) lascamentos na forma de concha na superfície de saída da ferramenta, que pode levar a uma cavidade na superfície de saída.

Koshy et al. (2002) identificaram em seu trabalho as condições de usinagem adequadas e também os mecanismos de desgaste em operações de fresamento em alta velocidade de corte em aço AISI D2 com 58 HRc e AISI H13 com 52 HRc. As ferramentas utilizadas foram fresas com ponta esférica de 12 mm e 16 mm de diâmetro e fresa de facear com 32 mm de diâmetro. Os materiais para ferramentas utilizados foram inteiriças de metal duro, insertos de metal duro, cermet e PCBN. A profundidade de usinagem (ap) foi 1 mm e o penetração de trabalho (ae) foi de

insertos de metal duro apresentaram pouca diferença em termos de vida da ferramenta. Uma análise dos padrões de desgaste de flanco indicou que microlascamentos, aderência e a abrasão foram os mecanismos responsáveis pelo desgaste da ferramenta. A ferramenta de PCBN apresentou fratura da aresta de corte. Os valores de vida da ferramenta na usinagem do aço AISI D2 apresentaram menores valores quando comparado ao aço AISI H13, provavelmente devido à maior dureza do aço AISI D2 e também composição química adversa. Os valores de rugosidade apresentaram valores entre 1 a 6 µm (Ra) para ferramentas de metal duro com ponta esférica e 0,1

a 0,2 µm (Ra) para as fresas de topo de PCBN.