CARACTERÍSTICAS DO FRESAMENTO DO AÇO INOXIDÁVEL
MARTENSÍTICO (52 HRC) ABNT 420 (SAE 420)
Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner
Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Mecânica, Laboratório de Mecânica de Precisão, Cx. Postal 450, Cidade Universitária, CEP 88000-000, Florianópolis, SC, Brasil. E-mail: wlw@emc.ufsc.br
Prof. Dr. Eng. Jefferson de Oliveira Gomes
SENAI-CIMATEC, Av. Orlando Gomes, 1845, Piatã, 41650-010, Salvador, BA, Brasil. E-mail: jefferson@fieb.org.br
Resumo. Este trabalho identifica materiais e geometrias de corte para o fresamento do aço inoxidável martensítico (52 HRC) ABNT 420. A utilização do metal-duro da classe K03 apresentou um desempenho melhor quando comparada ao metal-duro da classe P25, ao cermet da classe P20 e ao CBN, com pureza de 25%. A ferramenta de CBN com pureza de 90% apresentou um bom desempenho, contudo a relação custo/benefício se mostrou favorável para a ferramenta da classe K03. As ferramentas com micro-grão apresentaram os melhores desempenhos. A utilização de ferramentas de topo reto com seis dentes produzem uma melhor sobreposição dos gumes, proporcionando um menor gradiente de forças e, conseqüentemente, maior estabilidade de processo.
Palavras-chave: fresamento, aço temperado
1. INTRODUÇÃO
A usinagem de aço no estado temperado permite uma racionalização do processo, pois provoca a diminuição dos tempos de preparação e diminuição de erros ocasionados pela mudança de referência da peça, além de evitar os problemas ocasionados por distorções geométricas ocasionadas pela têmpera (Altan et al., 1993; Friedhoff, 2000 e Gomes et al., 2000).
Desse modo, desenvolveu-se uma pesquisa de fresamento escolhendo-se um material com típica aplicação produtiva em ferramentas de moldagem de plástico, o aço inoxidável martensítico ABNT 420. O escopo do trabalho objetivou estudar o desenvolvimento de novos materiais e geometrias de ferramenta de corte, bem como a caracterização de parâmetros de usinagem e condições de contato. 2. ANÁLISE DO MATERIAL
O aço inoxidável martensítico ABNT 420 é caracterizado por apresentar propriedades de alta resistência à corrosão e ao desgaste e estabilidade de têmpera. Neste estudo, o mesmo apresentou uma dureza de 52 HRC e uma resistência mecânica de 1800 MPa, aproximadamente. A composição química média foi fornecida pelo fabricante (Tabela 1).
Tabela 1. Composição química percentual em peso em balanço com o Fe (ABNT 420)
C Si Mn Cr V
Análise [%]
0,38 0,9 0,5 13,6 0,3
Para análise metalográfica, as amostras foram polidas utilizando-se um sistema de preparação convencional de amostras, sucessivamente (120, 220, 500, 600, 800, 1200, 2500 mesh) e posteriormente com lixas 6 µm, 3 µm e 1 µm. Realizou-se o ataque químico com 100 ml de água destilada, 100 ml de HCl e 20 g de CuSO4 (Figura 1). O aço ABNT 420 apresentou uma característica estrutural com grãos martensíticos finos e uma grande quantidade de carbonetos.
Figura 1. Metalografia do aço inoxidável martensítico ABNT 420 3. ANÁLISE DA USINABILIDADE
Os estudos de usinabilidade do aço ABNT 420 (52 HRC) foram estabelecidos com os seguintes tópicos: identificação de materiais e geometrias de ferramentas e otimização da taxa de remoção de volume (Q). Todas essas análises estão baseadas em testes de vida de ferramenta, conforme metodologia a seguir.
3.1. Máquinas, Equipamentos e Métodos
Os ensaios foram realizados em um centro de usinagem MIKROMAT (8V – HSC), 3 eixos, rotação máxima do eixo árvore de 24.000 rpm, aceleração máxima dos eixos X, Y e Z igual a 4 m/s2, com potência máxima de 27 kW e comando ANDRONIC.
Com um projetor de perfil ZOLLER (Presseter Zoller Junior), ajustaram-se para cada ensaio todas as ferramentas com o mesmo comprimento em balanço, em relação à base do porta-ferramenta.
Os ensaios de vida de ferramenta com a peça na posição horizontal (α= 0°) foram realizados com ferramentas com relações comprimento/diâmetro (L/D ≤ 3,5). Os ensaios de vida com inclinação da superfície usinada (α= 75°) foram realizados com ferramentas com comprimento de 156 mm.
Os ensaios de vida de ferramenta foram realizados segundo Norma ISO 8688-2 e adequados conforme as características dos ensaios. O critério de fim de vida estabelecido foi o desgaste de flanco máximo (VBmax). Todavia, o desenvolvimento de cratera foi sempre observado.
Nos ensaios com ferramentas inteiriças, mediu-se o desgaste em todos os gumes da ferramenta. Considerou-se como marca de desgaste de flanco, o maior valor encontrado dentre todos os gumes. Para ferramentas com insertos intercambiáveis, utilizou-se apenas um inserto por ensaio.
Cada condição foi repetida uma vez e em caso de discordância de resultados, procedeu-se então, a mais uma repetição. As marcas de desgaste foram medidas no microscópio de ferramentaria ISOMA, ampliação de 25 vezes.
3.2. Identificação de Materiais e Geometrias de Ferramentas
Para a usinagem de aços temperados com durezas maiores que 45 HRC, a relação de materiais de ferramenta é extensa (Bieker, 1991; Boehner et al, 1999 e Gomes et al., 2000). Desse modo, fixou-se uma matriz com variações de materiais de ferramentas e determinou-se um ensaio de vida de ferramenta para estabelecer as comparações plausíveis (Tabela 2).
Tabela 2. Matriz de testes de ferramentas para escolha do material de ferramentas Material da ferramenta Tipo de revestimento
Metal-duro classe P25 (micro-grão) TiAlCN Metal-duro classe K03 (micro-grão) TiAlCN
Cermet WSP1 TiCN
CBN 25% pureza TiAlCN
CBN 99% pureza TiAlCN
Certificou-se a comparação dos materiais utilizando ferramentas de topo toroidais de 15 mm de diâmetro, com insertos intercambiáveis de 7 mm de diâmetro, com fixação por parafuso e com ângulo de saída (γ) neutro. Definiu-se um final de vida de ferramenta para um desgaste de flanco máximo (VBmax) de 0,1 mm e executaram-se os ensaios com variação de 3 velocidades de corte (vc) e de 3 avanços por dente (fz) (Figura 2a).
Devido à quantidade de condições e repetições executadas e ao menor custo por inserto (7 Euros/inserto), primeiramente, foram ensaiadas as ferramentas de metal-duro e Cermet e, posteriormente, comparou-se a melhor combinação de parâmetros de corte com as pastilhas de CBN (50 Euros/inserto).
Nesta faixa de ensaio, verificou-se que a melhor combinação das características de dureza e tenacidade da ferramenta de corte para altas temperaturas é obtida com o uso de metais-duros com micro-grãos da classe K03.
Alcançou-se um final de vida aos 95 metros de Lf(percurso de avanço) para o gume do inserto da classe K03, com uma velocidade de corte (vc) de 100 m/min e um avanço por dente (fz) de 0,2 mm. O final de vida ocorreu por um desgaste progressivo do flanco. As pastilhas de metal-duro da classe P e de Cermet apresentaram uma elevada fragilidade do gume, logo no início dos ensaios. Esse resultado pode-se explicar devido ao maior tamanho dos grãos que diminuem a tenacidade da região de corte (Figura 2b).
Realizou-se a determinação dos parâmetros de corte para o ensaio com insertos de CBN, mantendo-se as mesmas características de contato (aet e an) do ensaio anterior, para efeito comparativo com o metal-duro, e ajustando-se os parâmetros velocidade de corte (vc) e avanço por dente (fz), conforme literatura (König, 1991 e Tönshoff et al, 1996). Foram escolhidas duas classes distintas de pureza de CBN, 25% e 99,8%.O inserto com 25% de pureza foi fabricado com um chanfro no gume de 33,7°, enquanto que o inserto com 99,8% de pureza com um chanfro de 20,6°, proporcionando maior estabilidade para esse.
Devido às características de dureza a altas temperaturas, quando utilizam-se ferramentas de CBN, recomenda-se o emprego de altas velocidades de corte (vc). Entretanto, a baixa tenacidade do material da ferramenta, somada ao aumento da dureza do material da peça, implica o emprego de avanços por dente (fz) menores do que 0,1 mm (Rigby et al, 1993 e Dewes et. al., 1997).
Com uma ferramenta também toroidal de 15 mm de diâmetro, com insertos intercambiáveis de 7 mm de diâmetro e com ângulo de saída (γ) neutro, porém com fixação por grampo, definiu-se um ensaio com final de vida de ferramenta para um desgaste de flanco máximo (VBmax) de 0,1 mm, com variação de 2 velocidades de corte (vc), mantendo-se o avanço por dente (fz) constante (Figura 3a).
Material: ABNT 420 Dureza: 52 HRC Ferramenta: Topo toroidal Diâmetro: 15 mm Raio da pastilha: 3,5 mm Tecnologia: Corte concordante/periférico Rampa 75° an: 0,3 mm aet: 0,3 mm 0 20 40 60 80 100 100 250 350
Velocidade de corte (vc) [m/min]
C o m p ri m en to u si n ad o (L ) [m ] K03 (fz= 0,075 mm) K03 (fz= 0,1 mm) K03 (fz= 0,2 mm) P25 (fz= 0,075 mm) CERM ET (fz= 0,075 mm)
(a) Avaliação do material da ferramenta de corte com a variação da velocidade de corte (vc) e do avanço por dente (fz)
P25 Cermet K03
(b) Variação do tamanho dos grãos das ferramentas de metal-duro (classes P25 e K03) e da ferramenta de CERMET (aumento de 5000x)
Figura 2. Ensaios com materiais de ferramenta distintos
O alto desempenho do inserto com 25% de pureza e com chanfro de 33,7°, observado por König et al (1991) durante a usinagem do aço DIN 1.2738 (P20) com 30 HRC, não se repetiu no caso do aço ABNT 420. O comprimento usinado não excedeu a 7 m, devido ao intenso lascamento do gume, logo na entrada do corte. Os melhores resultados (192 m e 170 m) foram obtidos com os insertos de CBN com 99,8% de pureza e geometria de chanfro com ângulo de 20,6°, com a aplicação de velocidades de corte (vc) de 450 m/min e 950 m/min, respectivamente (Figura 3b). O final de vida ocorreu por um desgaste do flanco do inserto. A variação provocada pelo aumento da abrasão durante a progressão do desgaste de flanco, é verificada pela variação da coloração do cavaco do início ao final do comprimento usinado (Figura 3b).
Verificou-se que os melhores desempenhos foram obtidos para as ferramentas de metal-duro, com micro-grãos da classe K03 e com insertos de CBN de alta pureza. No caso de fresamento em 3 eixos, devido ao contato da ponta da ferramenta com a superfície da peça, a utilização de ferramentas de topo esférico na usinagem de superfícies complexas é desaconselhável com insertos de CBN, uma vez que, a velocidade de corte (vc) no centro da ferramenta é nula, o que provocaria lascamentos no gume. A opção por CBN seria interessante para o fresamento em 5 eixos, pois as ferramentas de topo toroidais podem atuar perpendicularmente à superfície usinada, ou com a utilização de um quarto eixo que inclinaria o cabeçote da ferramenta de topo esférico no momento da usinagem plana, evitando o contato do centro da ferramenta com a peça. Além disso, nas condições ensaiadas, o alto desempenho das
5µm 5000 x
Material: ABNT 420 Dureza: 52 HRC Ferramenta: Topo toroidal Diâmetro: 15 mm Raio da pastilha: 3,5 mm Tecnologia: Corte concordante/periférico Rampa 75° an: 0,3 mm aet: 0,3 mm ferramentas de metal-duro induz a sua utilização pelas características de custo de ferramenta.
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 Comprimento usinado (L) [m] D es g as te d e fl an co m áx im o (V B m ax ) [m m ] CBN 99,8% (vc= 450 m/min) CBN 99,8% (vc= 900 m/min) CBN 25% (vc= 450 m/min)
(a) Ensaio de vida de ferramenta com insertos de CBN
vc= 450 m/min início fim
vc= 950 m/min início fim
(b) Desgaste do inserto de CBN e Forma de cavaco no início e no final do ensaio Figura 3. Ensaios com ferramentas de CBN
O tamanho de grão da ferramenta exerce uma influência significativa no fresamento de aços temperados. Escolheu-se um espectro de três fornecedores distintos de bastões de metal-duro (classe K03), com diferença significativa no tamanho e na forma dos micro-grãos (Figura 4). Foram mantidos constantes as camadas de revestimento (TiAlCN) e a geometria das ferramentas.
Na verificação realizada por microscopia eletrônica de varredura, a ferramenta 1 apresentou grãos maiores e pontiagudos, enquanto que a ferramenta 2, grãos com as arestas mais arredondadas, porém do mesmo tamanho. Na ferramenta 3, foram observados os menores tamanhos de grãos.
Foram escolhidas geometrias de contato com profundidades de corte normais e tangenciais à superfície (an e aet) com valores tipicamente menores do que 0,5 mm (ane aet= 0,3 mm) e parâmetros de corte moderados, com avanço por dente (fz) de 0,1 mm, segundo Dewes et al (1996), para assegurar que a força e a temperatura de usinagem fosse menor do que no fresamento convencional e, portanto, não mascarasse os resultados da avaliação do tipo de micro-grão.
Material: ABNT 420 Dureza: 52 HRC Ferramenta: Topo esférico Diâmetro: 6 mm Comprimento: 156 mm Tecnologia: Corte concordante/periférico Rampa 75° an: 0,3 mm aet: 0,3 mm vc: 250 m/min fz: 0,1 mm 1 2 3
Figura 4. Tamanho dos micro-grãos da classe K03 (aumento de 10000 x – MEV).
Utilizou-se para o ensaio uma fresa de 6 mm de diâmetro, com uma velocidade de corte nominal (vc) de 250 m/min, para gerar uma elevada rotação (13.270 rpm), e assim, uma minimização do gradiente térmico produzido, como conseqüência das repetidas entradas e saídas do gume na peça. Realizou-se o ensaio com um sistema modular de 156 mm de comprimento total, para um desgaste de flanco máximo (VBmax) de 0,1 mm (Figura 5).
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 Comprimento usinado (L) [m] D es g as te d e fl an co m áx im o (V B m ax ) [m m ]
Ferramenta 1 Ferramenta 2 Ferramenta 3
(a) Ensaio de vida com ferramentas de metal-duro com diferentes tamanhos de micro-grãos
Ferramenta 1 Ferramenta 2 Ferramenta 3
(b) distribuição do desgaste ao longo do gume
Figura 5. Ensaio com ferramentas de metal-duro com diferentes tamanhos de micro-grãos
O gume da ferramenta com menor tamanho de grão (ferramenta 3), apresentou uma vida significativamente maior. O final de vida na usinagem foi de 280 m, enquanto que as ferramentas 1 e 2 apresentaram um comprimento usinado (165 m e 170 m, respectivamente) e um comportamento de desgaste semelhantes. O final de vida para todas as ferramentas ocorreu por um desgaste progressivo do flanco do inserto. Adicionalmente, foram observados micro-lascamentos ao longo do gume de contato. Portanto, quanto menor o tamanho do grão, melhor a resistência ao desgaste, maior a resistência e a tenacidade do gume. Consequentemente, maior será a resistência ao lascamento e ao desgaste por difusão.
3.3. Otimização da Taxa de Remoção de Volume
Para esse estudo, investigaram-se as condições de usinagem para um regime de desbaste com ferramentas de topo reto, com um diâmetro tipicamente aplicado na fabricação de cavidades. Definiu-se uma fresa helicoidal inteiriça de metal-duro (micro-grão K03), de topo reto (D= 16 mm), quatro dentes e revestimento multicamadas, TiAlN, TiCN e TiAlCN, respectivamente do substrato para a superfície (Figura 6). Utilizando uma profundidade de corte axial (ap) de 8 mm, devido à melhor sobreposição do gume, e uma profundidade de corte radial (ae) de 1,5 mm, devido aos pré-testes de usinagem para a determinação das condições iniciais de usinagem, foram variados avanço por dente (fz) e velocidade de corte (vc).
Após obtido um desempenho de ferramenta com evolução constante do desgaste, determinou-se a elevação da taxa de remoção (Q), com o aumento da velocidade de corte (vc) e do avanço (fz). O critério de final de vida do ensaio foi um desgaste de flanco máximo (VBmax= 0,2 mm).
l
Canais rasos (estabilidade)
l2 Gumes longos Canais profundos 1 d 1 d2 d1[mm] Chanfro [mm] l2[mm] l1[mm] d2[mm] z revestimento 16 0,15-0,25 32 115 16 4 TiAlCN
Figura 6. Ferramenta empregada no ensaio
A condição limítrofe de avanço por dente (fz) ensaiada para o fresamento do aço temperado foi de 0,075 mm. A partir desse valor, ocorreram lascamentos das pontas das ferramenta. Com o máximo avanço por dente (fz) estabelecido, variou-se apenas a velocidade de corte (vc) (Figura 7).
Nesta faixa de ensaio, verificou-se o melhor resultado de experimento para a condição 3, que apresentou um desgaste de flanco (VBmax = 0,2 mm) após 163 min. Em todas as condições ensaiadas, as ferramentas apresentaram uma baixa resistência mecânica da quina.
A solicitação na quina da ferramenta com o aumento do percurso usinado tende a provocar sua quebra pelo aumento da força de usinagem (F) e do momento torçor (Mt). Se o número de dentes for aumentado, mantendo-se o mesmo ângulo de hélice (λ), a sobreposição dos gumes aumentará e, conseqüentemente, será menor o gradiente de força para uma mesma profundidade de corte axial, diminundo, assim, a fadiga do gume.
Condição vc(m/min) fz(mm) L (m) V (cm3) Q (cm3/h) t (min) 1 60 0,05 44 528 172 190 2 80 0,05 36 432 229 108 3 80 0,075 78 936 344 163 4 150 0,075 20* 240 X X 5 200 0,075 10* 120 X X Material: ABNT 420 Dureza: 52 HRC Ferramenta: topo reto diâmetro: 16 mm no. de dentes: 4 Tecnologia: corte concordante ae: 1,5 mm ap: 8 mm 0 200 400 600 800 1000 L (m) V (cm3) Q (cm3/h) t (min)
Condição 1 Condição 2 Condição 3 Condição 4 Condição 5
Figura 7. Condições de usinagem e resultados (* - instabilidade de corte)
Desse modo, testaram-se ferramentas com as mesmas características geométricas anteriores, mas com seis dentes, e realizou-se uma comparação com a melhor condição anteriormente ensaiada (condição 3), por intermédio de um ensaio de vida de ferramenta (Figura 8).
d1[mm] l2[mm] l1[mm] z revestimento
16 32 115 6 TiAlCN
Figura 8. Características geométricas da fresa de topo reto com seis dentes
Utilizando-se os mesmos parâmetros de usinagem, o aumento do número de dentes provocará um aumento de 50% da velocidade de avanço (vf) e, conseqüentemente, a taxa de remoção de cavaco (Q) aumentará na mesma proporção. No entanto, se a velocidade de avanço (vf) for mantida constante, os esforços de usinagem serão menores, devido ao menor avanço por dente (fz). Desse modo, a comparação com a condição 3 realizou-se nessas duas situações.
Nesta faixa de ensaio, verificou-se o melhor resultado de experimento para as condições com as ferramentas com 6 dentes (Figura 9), devido aos menores gradientes de esforços. A condição 7, devido ao aumento do avanço por dente (fz) para a mesma rotação, apresentou uma vida maior, como
esperado. Verificou-se uma resistência maior da quina da ferramenta, com desgaste progressivo ao longo do flanco do gume. Micro-lascamentos surgiram nesta região e pronunciaram-se de forma mais branda ao longo do gume.
Material: ABNT 420 Dureza: 52 HRC Ferramenta: topo reto diâmetro: 16 mm no. de dentes: condi ção 3: 4 condi ção 6 e 7: 6 Tecnologia: corte concordante ae: 1,5 mm ap: 8 mm 0 300 600 900 1200 1500 1800 L (m) V (cm3) Q (cm3/h) t (min)
Condição 3 Condição 6 Condição 7
Condição vc(m/min) fz(mm) vf(mm) z L (m) V (cm3) Q (cm3/h) t (min)
3 80 0,075 477,7 4 78 936 344 163
6 80 0,05 477,7 6 110 1320 344 229
7 80 0,075 718,2 6 133 1596 515.9 186
Figura 9. Resultados das condições ensaiadas e desgaste ao longo do gume para a condição 7
4. CONCLUSÕES
A respeito do fresamento do aço inoxidável martensítico ABNT 420 (52 HRC) pôde-se concluir: recomenda-se o uso de metal-duro da classe K03 com micro-grãos. Quanto mais fino o tamanho de grão, maior a tenacidade e resistência ao desgaste do gume; os altos desempenhos das ferramentas de metal-duro, associados ao baixo custo, justificam a não utilização das ferramentas de CBN em 3 eixos. Todavia, as ferramentas de CBN de alta pureza e chanfro de 20,5° apresentaram um alto desempenho; recomenda-se o uso de ferramentas de topo reto, multi-cortantes (6 dentes), com ângulo de hélice (λ) elevado (17°), de modo que ocorra a sobreposição dos gumes, diminuindo o gradiente de esforços ao longo do corte e com canais rasos, aumentando a estabilidade da ferramenta de corte.
5. REFERÊNCIAS
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Milling Characteristics On Martensitic (52 HRC) Stainless Steel ABNT 420 (SAE
420)
Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner
Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Mecânica, Laboratório de Mecânica de Precisão, Cx 450, Cidade Universitária, CEP 88000-000, Florianópolis, SC, Brasil. E-mail: wlw@emc.ufsc.br
Prof. Dr. Eng. Jefferson de Oliveira Gomes
SENAI-CIMATEC, Av. Orlando Gomes, 1845, Piatã, 41650-010, Salvador, BA, Brasil. E-mail: jefferson@fieb.org.br
Abstract. This Work identifies cutting materials and geometries for the milling on the martensitic (52 HRC) stainless steel ABNT 420. The use of cemented carbide class K03 resulted higher tool life values compared to cemented carbide class P25, Cermet class P20 and CBN (low volume fraction 25%). Also the CBN (high volume fraction 90%) presented a good desempenho, but the cost/benefit relation was favourable for the K03 class. The tools with the finest micrograin-coated carbide performed best. The use of 6-tooth end mill reached better superposition of several cutting edges than the 4-tooth end mill. When more cutting edges overlap, the gradient of cutting forces is lower. This well-known solution improves the stability of the milling process, reduces the vibration and requires lower forces and spindle power during the milling operations and is fundamental for hard milling.
