A figura 4.23 mostra a vida das ferramentas nas estratégias de usinagem utilizadas nos experimentos. Em todos os experimentos o desgaste da ferramenta se dá somente em uma porção da aresta devido à manutenção do ângulo de contato da ferramenta com a peça ao longo de uma passada. Em todas as estratégias descendentes (5°, 45° e 85°) os diâmetros efetivos de corte são menores quando comparado com as estratégias ascendentes, mas a velocidade de corte foi mantida em todos os experimentos. Nota-se na figura que a estratégia que apresentou melhor resultado foi a usinagem com inclinação de 5° na condição descendente. Nesta condição de usinagem o contato da ferramenta com a peça se dá em um diâmetro muito pequeno (ver tabela 4.2), gerando alta força de corte na direção axial da ferramenta. Na verdade, apesar da tabela 4.2 mostrar que o diâmetro efetivo é 2,18 mm, o contato da ferramenta se estende desde o diâmetro zero (contato do centro da ferramenta com a peça) até este diâmetro efetivo.
Então, a velocidade de corte média ao longo do contato é menor que a apontada na tabela 4.2. Na região central da ferramenta a velocidade de corte é zero, portanto ocorre conformação do material da peça, gerando uma condição desfavorável para o processo. Esta estratégia de usinagem demonstrou uma condição bastante estável e, mesmo que as componentes radial e tangencial da força de usinagem tenham apresentado valores mais elevados quando comparados com outras estratégias, a maior força axial manteve a estabilidade do processo e, consequentemente, fez com que a vida da ferramenta fosse maior e a rugosidade apresentasse menores valores, quando comparado com outras estratégias. Uma análise das componentes da força de usinagem será realizada mais a frente.
Tabela 4-2 - Parâmetros de usinagem – fase 2
Fase 2 5° descendente 5° ascendente 45° descendente 45° ascendente 85° descendente 85° ascendente
Diâmetro efetivo de corte (mm) 2,18 4,90 8,50 13,54 15,22 16,00 Rpm 23362 10394 5992 3761 3346 3183 Velocidade de avanço - vf (mm/min) 4672 2079 1198 752 669 637
Nota-se também na figura 4.23 que a única inclinação da ferramenta que apresentou melhor resultado na estratégia descendente em comparação com a ascendente foi a estratégia com 5° de inclinação, embora nesta condição de usinagem tenha ocorrido vibrações de baixa frequência, como será mostrado no item 4.6. Em outras inclinações (45° e 85°) as estratégias descendentes apresentaram vida semelhante ou pior quando comparada com a ascendente. Comparando-se as figuras 4.24 e 4.25 (figuras que mostram as componentes axial, radial e tangencial da força de usinagem para os cortes descendente e ascendente com 5o de inclinação), vê-se que o corte descendente apresentou maiores variações das componentes da força de usinagem que o corte ascendente. Portanto, não foi a vibração da ferramenta que fez o corte ascendente ter menor vida da ferramenta quando a inclinação da ferramenta era de 5°. O maior fator de influência neste caso foi a menor velocidade média do corte descendente. Como visto, a velocidade foi calculada de tal maneira a ser a mesma para todos os ensaios levando em conta o diâmetro efetivo. Porém, a variação do diâmetro de contato é muito grande nos cortes com 5° de inclinação (em especial no corte descendente), fazendo com que o diâmetro médio de contato no corte descendente fosse bem menor que no corte ascendente. Esta também é a razão para que o corte descendente com 5° de inclinação da ferramenta gerasse a vida mais longa da ferramenta dentre todos os ensaios. Este ensaio é que realizava o corte com a menor velocidade de corte média. Já nos cortes com 45° e
Figura 4.23 - Vida da ferramenta – fase 2 3477 2696 2341 3086 1916 1916 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
CD5 CA5 CD45 CA45 CD85 CA85
Vo lu m e d e m ate ri al r e m o vi d o (m m 3)
85° de inclinação da ferramenta, a variação percentual do diâmetro ao longo do contato da ferramenta com a peça foi menor, fazendo com que a diferença entre as velocidades médias dos cortes ascendentes e descendentes não fosse tão grande. Assim, outros fatores influenciaram na vida da ferramenta e, consequentemente, a vida da ferramenta no corte descendente com estas inclinações não foi maior que no corte ascendente. Os resultados de vida da ferramenta com a manutenção da velocidade de corte foram diferentes dos ensaios com a variação da velocidade de corte mostrados no item 4.1, o que comprova a importância deste parâmetro para o processo (primeira fase dos experimentos). Naquele item, com a variação da velocidade de corte, à medida que a ferramenta percorria a trajetória circular da peça em função da alteração do diâmetro efetivo e a manutenção do avanço por dente (fz), todas as estratégias descendentes apresentaram melhores resultados quando comparadas com as ascendentes. Já com a manutenção da velocidade de corte e do avanço por dente (fz), a única estratégia descendente que apresentou melhor resultado foi com inclinação de 5°. Isto comprova a importância da velocidade de corte na vida da ferramenta.
Nas estratégias descendentes com inclinações de 45° e 85°, a vida da ferramenta pode ter sido influenciada pela variação das forças tangencial e radial. Na usinagem ascendente, as forças
Figura 4.24 - Força axial, força radial e força tangencial – 5° descendente
tangencial e radial apresentaram menor variação durante a usinagem e também valores ligeiramente inferiores, quando comparados com os das estratégias descendentes, como podem ser visto nas figuras 4.26 e 4.27. Estes resultados influenciaram positivamente a vida da ferramenta.
As maiores variações na vida da ferramenta quando se compara os cortes ascendente e descendente ocorreram nas estratégias com lead angle de 5° e 45°. Nas estratégias com lead
Figura 4.26 - Força axial, força radial e força tangencial – 45° descendente e ascendente
angle de 85° (ascendente e descendente), a variação do diâmetro efetivo foi a menor dentre as
estratégias (cerca de 5%). Como a velocidade de corte foi mantida e a variação do diâmetro efetivo foi pequena, as forças tangencial e radial apresentaram valores semelhantes e, com isso, não ocorreu alteração na vida da ferramenta, quando comparada a estratégia ascendente com a descendente.
Concluindo a análise da figura 4.23, pode-se verificar que, quanto maior o diâmetro efetivo (quanto maior a inclinação da ferramenta em relação à peça), menor a vida da ferramenta, em especial no corte descendente, mesmo mantendo-se constante a velocidade de corte. Esse resultado foi também verificado nos ensaios com usinagem em superfície plana (ver item 4.1). Isto se deve a dois fatores: a) a variação maior do diâmetro de contato que ocorre quando o diâmetro efetivo é menor - este fator, como já citado foi mais importante quando se teve 5° de inclinação; b) a diminuição da estabilidade da ferramenta - a medida que se aumentou o ângulo de inclinação da ferramenta, a componente axial (direção rígida) da força diminuiu (ver figuras 4.24 a 4.27). Com isto, apesar das forças tangencial e radial também terem diminuído, tem-se maior vibração da ferramenta porque ficou mais fácil para as forças perpendiculares ao eixo da ferramenta fleti-la para o lado, dada a menor força axial. Isto influenciou negativamente a vida da ferramenta. Este fator foi mais importante quando se passou de 45° para 85° de inclinação da ferramenta.
Portanto, em termos de vida da ferramenta, quando se for usinar uma superfície circular convexa com diâmetro efetivo constante (isto é, com programação em 4 eixos) sempre que possível, a inclinação entre o eixo da ferramenta e uma reta perpendicular à superfície da peça usinada deve ser a menor possível (menor lead angle).
A figura 4.28 mostra a superfície de folga da ferramenta na usinagem com lead angle de 5° descendente. Nota-se nesta figura que o desgaste predominante foi o desgaste de flanco que é o tipo de desgaste mais comum durante o processo de usinagem. Observa-se também na figura 4.28 que ocorreu aderência do material da peça na aresta da ferramenta. Isto é comprovado pela análise EDS que mostra que o material predominante desta camada aderida é o ferro (que está presente no material da peça usinada). Foi encontrado também cromo (elemento de liga do aço AISI D6) e alumínio que é parte da cobertura da ferramenta. Nota-se na figura 4.28 que o mecanismo de desgaste predominante foi o mecanismo de aderência. Segundo Trent e Wright (2000), o mecanismo de desgaste por aderência pode ocorrer tanto em baixas como em altas
velocidades de corte, desde que ocorra fluxo irregular de cavaco. Nesta estratégia, as forças tangencial e radial apresentaram vibrações de baixa frequência (figura 4.24), o que propicia a condição favorável para o desgaste por attrition. Esta vibração gerou um fluxo irregular de cavaco, causando a extrusão do material da peça na região de formação do cavaco entre ferramenta e peça e a subsequente aderência deste material extrudado na superfície de folga da ferramenta. O mecanismo de aderência pode ser incentivado por outro fenômeno que inicia o processo de desgaste, que pode ser responsável pela remoção da cobertura da ferramenta, aumentando assim o atrito da ferramenta em contato com a peça. Mas pode-se concluir que, na usinagem com lead angle de 5° e estratégia descendente, o mecanismo de desgaste predominante foi a aderência (attrition).
A figura 4.29 mostra a superfície de folga da ferramenta utilizada nos experimentos com
lead angle de 5° na condição ascendente. Nota-se na figura que ocorreu pouca aderência do
material da peça na superfície de folga da ferramenta (quando comparada com a usinagem descendente). Outro fato que pode ser notado é que, na análise de EDS, embora na superfície da ferramenta haja a presença de ferro e cromo (que são materiais presentes no corpo de prova), o material predominante foi o tungstênio. Com isso pode-se deduzir que, embora tenha ocorrido aderência (em menor proporção do que no corte descendente), ocorreram também microlascamentos que contribuíram para a remoção da cobertura da ferramenta, fazendo com que o substrato ficasse exposto. Estes microlascamentos incentivaram o desgaste de flanco, fazendo com que a vida da ferramenta chegasse ao fim. Outro fato que pode ser notado nas figuras 4.28 e 4.29 é que o desgaste da ferramenta ocorreu em regiões distintas. No corte descendente, o desgaste da ferramenta ficou mais próximo do centro quando comparado com o corte ascendente. Isso comprova que na usinagem descendente a remoção do material da peça, devido ao menor diâmetro efetivo médio, envolveu, além do corte, também a conformação de material e na usinagem ascendente não ocorreu a conformação do material da peça devido ao fato de o centro da ferramenta não estar envolvido no corte, ou se ela ocorreu, foi em menores proporções. Considerando que o desgaste ocorre em regiões distintas da aresta de corte, quando compara-se o corte descendente com o ascendente, pode-se sugerir como opção uma estratégia mista visando um aumento na vida da ferramenta, isto é, a ferramenta cortaria em uma passada com corte descendente concordante e na próxima com corte ascendente discordante. Embora a vida da
ferramenta no corte discordante seja menor, a estratégia mista é uma alternativa viável em função da redução do tempo passivo.
Ainda com relação às figuras 4.28 e 4.29, pode-se notar que a direção do avanço influenciou a evolução do desgaste da ferramenta, mas o mecanismo de desgaste permaneceu o mesmo tanto na usinagem ascendente como na descendente. Portanto, as duas estratégias apresentaram desgaste de flanco, com microlascamentos e aderência (attrition). Porém, no corte ascendente os microlascamentos foram mais importantes que o attrition na formação do desgaste de flanco da ferramenta.
A figura 4.30 mostra a aresta de corte desgastada em uma vista da superfície de saída da ferramenta utilizada nos experimentos com lead angle de 5° descendente. Nota-se nesta figura que na região mais próxima ao centro da ferramenta ocorreu aderência do material da peça na
Figura 4.28 - Superfície da folga da ferramenta – 5° descendente
superfície de saída da ferramenta. Ao longo da aresta, o material predominante, comprovado pela análise de EDS, foi o tungstênio. Isto comprova que o substrato da ferramenta ficou exposto. Provavelmente, a remoção da cobertura da ferramenta foi incentivada pela vibração de baixa frequência, observada nesta estratégia de usinagem (figura 4.24). Na região central da ferramenta a velocidade de corte é zero, portanto, nesta região a remoção do material da peça ocorreu por conformação.
O material do corpo de prova apresentava elevada dureza (60 HRc), e consequentemente, pouca ductilidade. Mesmo com esta situação desfavorável, ocorreu a adesão de material sobre a superfície de folga da ferramenta devido à extrusão do material entre a ferramenta e a peça. Outro fator que incentivou a aderência foi a deformação plástica do material devido à baixa velocidade de corte na região central da ferramenta.
A figura 4.31 mostra a aresta de corte desgastada na superfície de saída da ferramenta, da usinagem com lead angle de 5° ascendente. Pode-se notar também nesta figura que ocorreram microlascamentos ao longo da aresta. Pela análise de EDS, pôde-se observar que ocorreu pequena adesão do material da peça, devido à pequena presença de ferro. Os outros materiais predominantes são o tungstênio, titânio e alumínio, presentes na camada de cobertura da ferramenta. Isto comprova que a exposição do substrato da ferramenta em algumas regiões da aresta, embora tenha ocorrido devido à presença de microlascamentos ao longo da aresta, não foi intensa, pois ainda se tinha muito material da cobertura da ferramenta presente na região de desgaste. Os microlascamentos na aresta de corte também contribuíram para que a ferramenta perdesse a sua forma original. Na estratégia com lead angle de 5° ascendente, o gráfico de força não apresenta as vibrações de baixa frequência com a mesma intensidade das que foram observadas na usinagem descendente (figura 4.25), mas devido à presença de microlascamentos, pode-se afirmar que nesta estratégia ocorreram também vibrações.
Conforme relatado anteriormente, ocorreu variação do diâmetro efetivo de corte quando comparado os cortes descendente e ascendente. O desgaste da ferramenta utilizada no corte descendente ocorreu mais próximo do centro do inserto, quando comparado com o corte ascendente, mas o tipo do desgaste foi semelhante para as duas estratégias. O tipo de desgaste predominante foi o desgaste de flanco com alguma aderência de material (atrittion). Com o lead
deformação plástica é incentivada, facilitando a extrusão do material entre a ferramenta e a peça. Esta condição favorece a adesão e, consequentemente, o atrittion.
As figuras 4.32 e 4.33 mostram as superfícies de folga das ferramentas utilizadas nos ensaios com lead angle de 45° nas direções descendente e ascendente, respectivamente. Nestas figuras pode-se notar que o tipo de desgaste predominante foi o desgaste de flanco e o mecanismo causador de desgaste foi também a aderência (attrition). As arestas mostradas nas figuras 4.32 e 4.33 foram analisadas em microscopia eletrônica de varredura (MEV) com a utilização de espectroscopia de energia dispersiva (EDS). Nestas arestas pode-se notar que existe a presença de ferro e cromo, que são materiais encontrados no corpo de prova, o que comprova a
Figura 4.30 - Superfície de saída da ferramenta – 5° descendente
aderência do material da peça na ferramenta. Esse material é removido ciclicamente da ferramenta pelo movimento relativo entre a aresta de corte e a peça. Esta remoção leva partículas da ferramenta incentivando o desgaste.
Nota-se também nas figuras que em algumas regiões foi encontrado o material do substrato da ferramenta (tungstênio), não sendo encontrado o material da cobertura da ferramenta, o que prova que a remoção do material da peça aderido na ferramenta provocou o desgaste. Os gráficos de força gerados pelos ensaios com o lead angle de 45° mostram que no corte descendente a força axial apresentou valores mais elevados quando comparado com o corte ascendente (figura 4.26), mas a variação da força foi menor, o que comprova a maior estabilidade nesta condição. Outro fato que pode ser notado no gráfico de força (figura 4.26) é que no corte descendente a força axial apresentou valores mais elevados, como também as forças tangencial e radial, favorecendo o mecanismo de desgaste por attrition. Provavelmente estes fatores podem ter contribuído para a menor vida da ferramenta apresentada no corte descendente (ver figura 4.23).
Figura 4.32 - Superfície da folga da ferramenta – 45° descendente
As figuras 4.34 e 4.35 mostram as superfícies de saída das ferramentas utilizadas nos ensaios com lead angle 45° nas estratégias descendente e ascendente, respectivamente. As figuras mostram que a aresta de corte da ferramenta sofreu alguma variação em relação a sua forma original, causada pelos microlascamentos e aderência do material da peça, provavelmente incentivado pelo attrition.
As figuras 4.36 e 4.37 mostram as arestas de corte (vistas da superfície de folga) utilizadas na estratégia de usinagem com a superfície inclinada 85° nas condições descendente e ascendente. Nota-se nestas figuras que as regiões desgastadas apresentam porções do material da
Figura 4.34 - Superfície de saída da ferramenta – 45° descendente
peça aderido na superfície e também a presença do material do substrato da ferramenta. Isto comprova que o mecanismo de desgaste apresentado nesta estratégia é o mesmo apresentado nos outros ensaios, isto é, o principal mecanismo de desgaste foi o attrition incentivado pela vibração ocorrida nesta estratégia. A vida da ferramenta não apresentou diferença quando comparados os cortes descendente e ascendente (ver figura 4.23), provavelmente devido à pequena variação de diâmetro efetivo entre os cortes descendentes e ascendentes (aproximadamente 5%).
As figuras 4.38 e 4.39 mostram as superfícies de saída das ferramentas utilizadas nas estratégias de usinagem com lead angle de 85°, nas direções descendente e ascendente. Nota-se nas figuras que a forma da aresta de corte da ferramenta foi alterada em função dos microlascamentos e aderência do material da peça. Embora a superfície de saída da ferramenta na estratégia ascendente apresente lascamentos maiores, a vida da ferramenta não foi afetada, quando comparada às estratégias com lead angle de 85° descendente. Esta inclinação da
Figura 4.36 - Superfície da folga da ferramenta – 85° descendente
ferramenta apresentou piores valores de vida da ferramenta (ver figura 4.23) devido ao maior diâmetro efetivo ter contribuído para o surgimento de vibrações, incentivando os microlascamentos e aderência, com isso acelerando o desgaste da ferramenta.