Vida e desgaste das ferramentas

Um dos principais fatores que determinam a produtividade em um processo de usinagem é a condição da ferramenta utilizada, uma vez que o seu desgaste interfere na qualidade das peças, na sua precisão dimensional e, finalmente, no custo do produto final. As falhas da ferramenta de corte (desgaste e ruptura) representam aproximadamente 20% da vida de uma ferramenta na máquina.

A vida útil de uma ferramenta pode ser definida como o tempo em que trabalha efetivamente, com capacidade normal de corte. O ideal é utilizá-la enquanto as peças produzidas apresentarem as especificações dimensionais e de acabamentos ideais, determinadas pelo projeto. O desgaste ocorre porque, durante a usinagem, as ferramentas estão sujeitas a aplicações mecânicas e térmicas, além do atrito com o cavaco e com a superfície da peça. Estes fatores provocam o desgaste e até mesmo tornam inviável a utilização da ferramenta (CIMM, 2007).

A continuação do uso de uma ferramenta depois de ultrapassada sua vida útil não é indicada, pois corre o risco de entrar em colapso. Valores excessivos de desgaste causam aumento da força de usinagem e da geração de calor e, com o aumento da temperatura a resistência da ferramenta diminui, onde fraturas e danos irreversíveis à peça podem acontecer neste caso (MACHADO; et al, 2009).

O desgaste pode ser avaliado através de métodos diretos, nos quais se mede a geometria da ferramenta através de inspeção visual utilizando lupas, e inspeção ótica, utilizando microscópios. Nos métodos indiretos, utiliza-se a aquisição de valores medidos como aumento das vibrações, aumento do ruído, piora da qualidade superficial da peça e aumento de forças na usinagem.

Por maior que seja a dureza e a resistência ao desgaste das ferramentas de corte e por menor que seja a resistência mecânica da peça de trabalho, a ferramenta sofrerá um processo de destruição que, mais cedo ou mais tarde, exigirá sua substituição (MACHADO et al. 2009).

Convencionou-se realizar a medição dos desgastes no plano ortogonal da ferramenta, onde distinguem-se na superfície de saída e na de folga da ferramenta. A Figura 10 mostra alguns tipos e suas respectivas variáveis de medição (DINIZ; MARCONDES, COPINNI 1999).

Figura 10 – Alguns tipos de desgaste e as variáveis de medição em ferramentas de usinagem

Fonte: SÁ (2010, p. 28.)

Segundo Diniz, Marcondes e Copinni (1999) diversos são os tipos de desgastes e avarias que acontecem em uma ferramenta de usinagem, sendo que as principais estão descritas na sequência.

 Desgaste frontal ou de flanco: Ocorre na superfície de folga da ferramenta, causado pelo contato entre ferramenta e peça. É o tipo de desgaste mais comum e ocasiona deterioração do acabamento superficial da peça e modifica totalmente a forma da aresta de corte original, faz com que a peça sofra variação dimensional, podendo sair de sua faixa de tolerância, sendo incentivado pelo aumento da velocidade de corte.

Figura 11 – Desgaste frontal ou de flanco

 Desgaste de cratera: é o tipo de desgaste que ocorre na superfície de saída da ferramenta, causado pelo atrito entre ferramenta e cavaco. Pode não ocorrer em alguns processos de usinagem, principalmente quando se utiliza ferramentas de metal duro recobertas, cerâmicas e quando o material da peça é frágil. O crescimento do desgaste de cratera gera a quebra da ferramenta, quanto tal desgaste se encontra com o desgaste frontal.

Figura 12 – Desgaste de cratera

Fonte: Sandvik

 Deformação plástica da aresta de corte: É um tipo de avaria da ferramenta. Muitas vezes a pressão aplicada à ponta da ferramenta somada a alta temperatura gera deformação plástica da aresta de corte. Tais deformações provocam deficiências do controle de cavacos e deterioração do acabamento superficial da peça. O crescimento desta deformação pode gerar a quebra da aresta de corte. Em geral, as classes mais duras e as coberturas mais espessas melhoram a resistência ao desgaste por deformação plástica.

Figura 13 – Deformação plástica da aresta de corte

 Lascamento: Ocorre principalmente devido a sobrecargas mecânicas ou aliado à propagação das trincas. À medida que se aumenta a velocidade de avanço, cresce também a espessura do cavaco e consequentemente as forças de corte, aumentando também a chance de ocorrer o lascamento com a remoção repentina de parte considerável da ferramenta. Frequentemente o lascamento está relacionado às descontinuidades durante o corte, principalmente ao utilizar ferramentas de baixa tenacidade.

Figura 14 – Lascamento

Fonte: Sandvik

 Trincas: São causadas pela variação da temperatura ou pela variação dos esforços mecânicos. Quando as trincas tem origem térmica (variação de temperatura) elas ocorrem perpendicularmente a aresta de corte e quando tem origem mecânica são paralelas a aresta. Alguns fatores que geram estas situações são o corte interrompido, acesso irregular do fluido lubri-refrigerante, variação da espessura de corte e solda da pastilha no porta-ferramenta. O crescimento das trincas leva à quebra da ferramenta.

Figura 15 – Trincas

 Quebra: Todos os desgastes e avarias da ferramenta ao crescerem podem gerar quebra da ferramenta, no entanto algumas vezes a quebra pode ocorrer inesperadamente devido a alguns fatores como ferramenta muito dura, carga excessiva sobre a ferramenta, raio de ponta, ângulo de ponta ou ângulo de cunha pequenos, corte interrompido, parada instantânea do movimento de corte, entupimento dos canais de expulsão de cavacos. A quebra da ferramenta ocasiona não somente dano na ferramenta mas também no porta-ferramenta e na própria peça.

Figura 16 – Quebra

Fonte: Sandvik

Segundo Diniz, Marcondes e Copinni (1999) vários são os fenômenos causadores dos desgastes da ferramenta, sendo que os principais estão descritos na sequência.

 Aresta postiça de corte: Muitas vezes na usinagem pode-se formar na superfície de contato entre o cavaco e a superfície de saída da ferramenta, uma camada de cavaco que permanecendo aderente à aresta de corte, modifica seu comportamento com relação à força de corte, acabamento superficial da peça e desgaste da ferramenta. Em baixas velocidades de corte, a parte inferior do cavaco, em contato com a ferramenta, sob a pressão de corte na zona de aderência, mantém este contato sem movimento relativo um espaço de tempo suficiente para se soldar a ferramenta, separando-se de outras porções de cavaco e permanecendo presa à superfície de saída. Com o posterior fluxo de mais cavacos sobre esta camada já fixa, ela se deforma e se encrua, aumentando sua resistência mecânica e fazendo as vezes de aresta de corte a qual possui como tendência crescer gradualmente até um certo momento que rompe-se bruscamente, causando uma perturbação dinâmica. Parte da aresta é carregada com o cavaco e parte adere a peça prejudicando o acabamento superficial.

 Abrasão mecânica: É uma das principais causas de desgaste da ferramenta. Tanto o desgaste frontal, quanto o desgaste de cratera podem ser gerados pela abrasão, porém se faz mais proeminente no frontal, já que a superfície de folga atrita com um elemento rígido que é a peça, enquanto que a superfície de saída atrita com um elemento flexível que é o cavaco. O desgaste gerado pela abrasão é incentivado pela presença de partículas duras no material da peça e pela temperatura de corte, que reduz a dureza da ferramenta.

 Aderência: Duas superfícies metálicas colocadas em contato sob cargas moderadas, baixa temperatura e velocidade de corte, acaba sendo formado entre elas um extrato metálico que provoca aderência. A resistência deste extrato é elevada a tal ponto que, na tentativa de separar as superfícies, ocorre a ruptura em um dos metais e não na superfície de contato. Assim, partículas da superfície de um metal migram para a superfície do outro. O fenômeno da aderência está presente na formação da aresta postiça de corte, mas pode-se ter desgaste por aderência, mesmo sem a formação de aresta postiça.

 Difusão: A difusão entre ferramenta e cavaco é um fenômeno microscópico ativado pela temperatura na zona de corte. A difusão no estado sólido consiste na transferência de átomos de um metal a outro. Depende da temperatura, da duração do contato e da afinidade físico-química dos dois metais envolvidos na zona de fluxo, onde a difusão dos átomos de ferro do aço do cavaco para a ferramenta, principalmente se esta for de metal duro, muda as condições de equilíbrio entre os elementos constituintes da mesma, levando a uma reação química entre elas. Estas reações no caso do metal duro, provocam a formação de carbonetos complexos, que são menos resistentes e são rapidamente removidos por abrasão. A difusão é responsável principalmente pelo desgaste de cratera em altas velocidades de corte, pois é na superfície de saída da ferramenta que se tem as condições necessárias para a difusão, isto é, alta temperatura e tempo de contato entre cavaco e ferramenta.

 Oxidação: Altas temperaturas e a presença de ar e água (contida nos fluidos lubri- refrigerantes) geram oxidação para a maioria dos metais. A oxidação é um fenômeno importante nas ferramentas que possuem percentual significativo de tungstênio e cobalto, como o aço-rápido e metal duro, pois durante o corte formam filmes de óxidos porosos sobre a ferramenta, que são facilmente levados embora pelo atrito, gerando desgaste especialmente nas extremidades do contato entre cavaco e ferramenta, devido ao acesso do ar nesta região.

É praticamente impossível realizar uma separação quantitativa da contribuição de cada um destes fenômenos para a formação do desgaste, porém é possível verificar a

importância de cada componente nas diferentes velocidades de corte (DINIZ; MARCONDES, COPINNI 1999).

Em baixas velocidades, o desgaste é elevado por causa do cisalhamento da aresta postiça de corte e da aderência, enquanto em altas velocidades o desgaste é causado principalmente pelos fatores cuja intensidade depende da temperatura de corte como a abrasão mecânica, a difusão e a oxidação.

4. MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 INTRODUÇÃO

O presente capítulo tem por objetivo apresentar a metodologia de ensaios, os materiais, detalhamento das ferramentas, equipamentos e demais recursos utilizados durante o desenvolvimento da pesquisa.

4.2 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL

Apresenta-se a seguir a pesquisa de um estudo detalhado, onde foram analisados os desgastes de ferramentas em um processo de produção específico, levando em consideração a utilização de três fluidos lubri-refrigerantes distintos.

Para a obtenção dos resultados, o processo experimental foi dividido em duas etapas, esquematizado conforme demonstrado na Figura 17.

Figura 17 – Metodologia experimental do projeto de pesquisa

Na etapa 1, caracterizou-se o material dos corpos de prova através das informações contidas no certificado de matéria prima do fornecedor, e das ferramentas através dos catálogos e descrições técnicas. Na etapa 2, foram realizados os ensaios com a utilização de três diferentes fluidos lubri-refrigerantes, com a medição dos desgastes das ferramentas, obtendo-se um gráfico comparativo.

4.2.1 Variáveis de entrada

Para a realização dos testes e possibilidade de atender a etapa 2 da metodologia, segue abaixo a descrição das variáveis de entrada utilizadas no decorrer do trabalho, sendo estas representadas por três fluidos lubri-refrigerantes e quatro ferramentas.

Fluido A = fluido lubri-refrigerante de base semissintético do fornecedor 1. É miscível em água e isento de cloro, formador de emulsão e se caracteriza por apresentar óleo mineral no fluido concentrado, em uma taxa de 24%. Caracterizado por possuir a cor marrom clara com aspecto transparente e leitoso. O valor recomendado pelo fornecedor de pH para a usinagem deve estar entre 8,7 e 9,2, enquanto o índice de refração é 1,3.

Fluido B = fluido lubri-refrigerante de base sintético do fornecedor 1. Isento de cloro e óleo mineral, denominado de solução por ser um composto monofásico que se dissolve completamente na água. Na forma concentrada é caracterizado por possuir a cor amarela tornando-se transparente na solução. O valor recomendado pelo fornecedor de pH para obtenção de melhores resultados de usinagem deve estar entre 7 e 10, enquanto o índice de refração é 2,3.

Fluido C = fluido lubri-refrigerante de base sintético do fornecedor 2. Solúvel em água, isento de óleo mineral, triazina e boro. Possui aspecto líquido com odor característico e coloração amarela. O valor recomendado pelo fornecedor de pH para obtenção de melhores resultados na usinagem leve deve estar entre 5 e 8, na usinagem severa acima de 8, enquanto o índice de refração é 2,3.

Ferramenta A = broca helicoidal de metal duro, diâmetro 11,2 mm, com canal interno para refrigeração.

Ferramenta B = broca helicoidal de metal duro, diâmetro 9,3 mm, com canal interno para refrigeração.

Ferramenta D = fresa esférica de metal duro, com diâmetro de 12 mm e raio do canto de 6 mm.

4.2.2 Variáveis de saída

Foram considerados como variáveis de saída o diâmetro das furações, a condição dos furos roscados e a dimensão dos canais fresados no âmbito da usinagem. Além disso, foi considerado o desgaste das ferramentas medido nas regiões de corte.

4.2.3 Corpos de prova

O material utilizado no processo de produção das peças para a realização dos testes consiste em um aço de qualidade EN-10149-2-13-S355MC com 8 mm de espessura, sendo este material obtido a partir de chapas com 1600 mm de largura e 3400 mm de comprimento, o fornecedor da matéria prima é a empresa Usiminas. A Tabela 2 apresenta a composição química, enquanto a 3 indica as propriedades mecânicas.

Tabela 2 – Composição química do aço EN-10149-2-13-S355MC

Composição Química (% Peso)

Carbono Silício Manganês Fósforo Enxofre Alumínio Cobre Nióbio

0,1 0,02 0,96 0,018 0,007 0,039 0,01 0,036

Vanádio Titânio Cromo Níquel Molibdênio Estanho Nitrogênio Boro Antimônio

0,001 0,001 0,01 0,02 0 0,001 0,0061 0 0

Fonte: Adaptado de Usiminas, 2016

Tabela 3 – Resultados mecânicos do aço EN-10149-2-13-S355MC

Ensaio de Tração

Limite Escoamento Limite Resistência Tração Alongamento

397 (N/mm²) 481 (N/mm²) 23 (%)

Por motivo de confidencialidade, a real concepção da peça utilizada durante os testes não será apresentada, porém, na Figura 18 pode ser visualizado um modelo representativo, ilustrando a necessidade de usinagem, demonstrando as geometrias e operações executadas para a validação dos testes.

Figura 18 – Representação das operações de usinagem no corpo de prova

Fonte: Autor

Os pontos identificados em vermelho no corpo de prova, representam 16 furos passantes de diâmetro 11,2, com tolerância de ± 0,2 mm, que foram usinados com a utilização da ferramenta A. Os destacados em azul, identificam 17 furos de diâmetro 9,3 mm, também com tolerância de ± 0,2 mm, sendo estes gerados com a ferramenta B, passantes de acordo com a espessura do corpos de prova em preparação para a operação posterior de roscamento M10 x 1,5, realizado com a ferramenta C. Os canais em preto ilustram o fresamento realizado com a ferramenta D, com 0,9 mm de profundidade, largura de 6 mm e um perímetro total de corte com 2.232 mm.

4.3 EQUIPAMENTOS

Para atingir os objetivos propostos no trabalho, os testes práticos foram realizados em um centro de usinagem com processo, parâmetros de corte, materiais e ferramentas definidos com acompanhamento da vida útil, a partir da demanda normal de produção de peças.

A escolha da máquina para a realização dos testes partiu do princípio que durante a jornada de trabalho diária ela estaria alocada para executar apenas o processo de produção de um item específico, em função da sua demanda diária, não sendo utilizada, desta forma, em outros processos com mudança de matéria prima, ferramentas e dispositivos de usinagem. Esta situação permitiu um melhor controle referente aos parâmetros, e uma possibilidade de análise mais detalhada sobre qualquer variação oriunda do processo de usinagem que poderia vir a afetar os resultados dos testes.

A usinagem foi realizada na empresa Bruning Tecnometal, no setor de usinagem, com a utilização de um centro de usinagem da marca Mazak modelo (Horizontal Center Nexus 6000 II), conforme Figura 19, com linguagem de programação Mazatrol Matrix.

Figura 19 – Centro de usinagem da marca Mazak modelo Horizontal Center Nexus 6000 II

Fonte: Autor

Sua capacidade de deslocamento nos eixos Z, Y e X é de 800 mm, atendendo a necessidade das peças a serem produzidas. Possui trocador automático de ferramentas e um magazine com capacidade para 43 ferramentas, uma rotação máxima do eixo-árvore de 10.000 rpm e seu deslocamento em vazio é de 60 m/min.

O diâmetro dos furos e as dimensões de controle dos rasgos usinados foram inspecionados com o auxílio de um paquímetro digital marca Mitutoyo, modelo Absolute IP67, com capacidade de medição de 0 a 150mm, e resolução de 0,01 mm. As roscas foram inspecionadas com o auxílio de um calibre de rosca tipo passa-não-passa M10 x1,5 6h.

O cone utilizado para realizar a fixação das brocas e da fresa no eixo-árvore da máquina CNC é descrito por norma como MAS-BT403 – ISO50, com código de identificação A2B2050, enquanto o tipo de fixação utilizado é de haste cilíndrica DIN6535 H + WELDON com passagem interna de refrigeração. O macho laminador utiliza o mesmo cone já citado, no entanto, o tipo de fixação utilizado ocorre através de um mandril synchroflex (microcompensador) e Pinça DIN6499 ER25.

As imagens foram geradas em um microscópio digital marca Dino-Lite, modelo AM3113T, com a medição dos desgastes das ferramentas sendo realizada em um software (Dino Capture 2.0), específico do equipamento.

Figura 20 – Microscópio digital marca Dino-Lite modelo AM3113T

Fonte: Autor