Materiais para ferramenta
SEM - SEM -EESC - USP
SEM534 – Processos de Fabricação
Mecânica
Professor - Renato G. Jasinevicius
Materiais para Ferramenta
Materiais mais utilizados para ferramenta no Brasil
Aços rápidos 33% Metal duro 36% Material Cerâmico 12% Nitreto de Boro Cúbico (CBN) 7% CERMET 7% PCD 5%
Materiais mais usinados no Brasil
Aços Carbono 20.5% Aço Inox 19% Ferro Fundido 14.5% Não-Ferrosos 20% Aços Temperados 13% não metálicos 13% Fonte MM/Dez.1999
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Materiais para Ferramenta
Materiais mais Processados em 496 empresas consultadas (Fonte: MM2003) 91,50% 79% 77,80% 67% 53,20% 53,20% 0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% Aço Car bono Não ferr osos Aço Inox idáv el Ferrr o Fu ndid o Aço tem pera do Não Met álicos
Materiais para Ferramenta
Materiais de Ferramenta mais usados em 496empresas consultadas (Fonte MM2003)
79,83% 35,68% 20,16% 14,31% 10,48% 93,54% 0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% Met al d uro Aço Ráp ido Cer âmic a CB N Cer met PCD
Materiais para Ferramenta
Idade das máquinas em 496 empresas consultadas(Fonte: MM2003) 19,78% 29,66% 33,34% 17,22% 0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% 50,00%
0-4 anos 5-9 anos 10-19 anos mais de 20 anos
Materiais para Ferramenta
Propriedades a serem consideradas para o
material da ferramenta:
•Dureza a Quente
•Resistência ao desgaste
•Tenacidade
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Materiais para Ferramenta
Materiais para Ferramenta
•A escala Mohs foi usada pela primeira vez em 1822.
•Ela simplesmente consiste num grupo de 10 minerais, ordenados de 1 a 10.
•O diamante é classificado como o mais duro e possui o índice 10; o mais mole é o talco, classificado com o índice 1.
•Cada mineral da escala pode riscar todos aqueles abaixo do seu índice.
•Alguns exemplos da dureza de metais comuns na escala Mohs são: o cobre, entre 2 e 3 e os aços ferramenta, entre 7 e 8.
•Material a ser usinado:
Dureza do material
Tipo de cavaco
Fatores a serem considerados para escolha da
ferramenta
Processo de usinagem: Ferramentas Rotativas de D pequeno
ainda usam materiais como AR
Fatores a serem considerados para escolha da
ferramenta
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Condição da Máquina Operatriz (potência, faixa de velocidades, estado de conservação, etc.)
Fatores a serem considerados para escolha da
ferramenta
Forma e dimensões da ferramenta
Fatores a serem considerados para escolha da
ferramenta
Forma e dimensões da ferramenta
Fatores a serem considerados para escolha da
ferramenta
Custo do material da Ferramenta
Fatores a serem considerados para escolha da
ferramenta
A 1.0 B 1.1 C 1.2 D 1.7 E 3.7 F 44A - Metal Duro Sem Cobertura B – Cermet
C – Metal Duro com Cobertura D – Cerâmica
E – Sialon (Si3N4)
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Condições de usinagem Condições típicas de acabamento:
exemplo: Vc, f, ap em peças que sofreram operação de usinagem, processos de conformação plástica; casca dura de fundição; exigem ferramentas mais resistentes ao desgaste
Fatores a serem considerados para escolha da
ferramenta
Condições de operação (rigidez do sistema de fixação)
Fatores a serem considerados para escolha da
ferramenta
Condições de operação (corte interrompido/continuo)
Fatores a serem considerados para escolha da
ferramenta
Materiais para ferramenta •Aços rápidos
•Aços rápidos com cobertura •Metal duro
•Metal duro com cobertura •Material Cerâmico
•Nitreto de Boro Cúbico (CBN) •Diamante
•Em geral quando se aumenta a dureza a quente e a resistência ao desgaste por abrasão, a tenacidade do material
•Outros materiais:
•liga fundida (estelita) e aço carbono (com ou sem elemento de liga)
Materiais para Ferramenta
D
u
r
e
z
a
T e n a c i d a d e10
Comparação: Velocidade
Fontes de geração de calor durante a usinagem: •Cisalhamento
•atrito cavaco/superfície de saída
•atrito superfície de folga/superfície recém usinada
Figura: Comparação da dureza de diversos materiais para ferramenta em função da temperatura
Desenvolvimento: 1905
Ferramenta de alta liga: W, Mo. Cr, V, Co, Nb Propriedades do aço rápido: Tenaz
Elevada resistência ao desgaste Elevada dureza a quente (Tcorte= 600 oC)
•Tipo e número de carbonetos duros são responsáveis pela resistência a abrasão
•Tenacidade depende dos elementos de liga e grau de dissolubilidade •Observação: aços rápidos resistentes a abrasão são poucos tenazes •Classificação AISI Letra “T” os tipos ao W e ao W-Co e letra M os tipos ao Mo e ao Mo-Co (Vide TABELA)
Efeito dos Elementos de liga nos
Aços rápidos
Carbono: aumentar a dureza e possibilita a formação de carbonetos (duros e
resistentes ao desgaste)
Tungstênio e Molibdênio: W sempre presente, Mo é usado como substituto,
substituindo a outra classe. Formam carbonetos resistentes ao desgaste e dureza a quente (peso atômico do Mo ~ 1/2 W.
Vanádio e Nióbio: a cada 1% de Vanádio implica em aumentar 0.25% de C para
formação de carbonetos (carboneto mais duro dos aços rápidos). Alto teor de C e V são os mais resistentes ao desgaste.
Cromo: juntamente com C responsável pela alta temperabilidade dos aços rápidos
Cobalto: aumenta a dureza a quente. Aços rápidos ao Co são recomendados para cortes em desbaste e usinagem de materiais com cavaco curtos (FoFo, temperatura eleva-se porque não se usa fluido)
Metal Duro
Ferramentas de Metal Duro revestidas: início década de 60 Processo CVD
-Chemical Vapor Deposition
Aço rápido não era revestido devido à temperatura do processo: 1000 oC
1980 - PVD (Physical Vapor Deposition): 450 oC a 500 oC - Câmara de alto
vácuo na presença de gás inerte (Argônio) Coberturas mais comuns: TiN e TiCN
Características dessas camadas : alta dureza, ~2300 HV Elevada dutilidade
redução sensível do caldeamento a frio (evita a formação de BUE)
Baixo coeficiente de atrito; Quimicamente inerte Espessura: 1-4 µµµµm
Ótima aparência C/ Cobertura
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Metal Duro
Designação
ISO %WC %TiC+ TaC %Co Densid.(g/cm3) Dureza (Hv) Resistência aRuptura Tranv. (Kgf/ mm2) Propriedades Da Ferramenta P01 30 64 6 7.2 1800 75 P10 55 36 9 10.4 1600 140 P20 76 14 10 11.9 1500 150 P30 82 8 10 13.0 1450 170 P40 77 12 11 13.1 1400 180 P50 70 14 16 12.9 1300 200 M10 84 10 6 13.1 1650 140 M20 82 10 8 13.4 1550 160 M30 81 10 9 14.4 1450 180 M40 78 7 15 13.5 1300 200 K10 92 2 6 14.8 1650 150 K20 91.5 2.5 6 14.8 1550 170 K30 89 2 9 14.5 1450 190 K40 88 --- 12 14.3 1300 210 T E N A C I D A C E R E S I S T Ê N C I A A O D E S G A S T E
Metal Duro
Metal Duro
100º 90º 80º 60º 55º 35º Aumenta a resistência
Aumento da chance de lascar e/ou quebrar
Metal Duro: acabamento de pastilhas
Aumento da resistência da aresta
Preparação da aresta dos insertos para melhorar a resistência da
aresta
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Metal Duro: acabamento de pastilhas
Metal Duro: acabamento de pastilhas
Metal Duro com Cobertura
METAL DURO REVESTIDOAumentam a vida da ferramenta em 200 a 300% ou mais Camadas para revestimento: TiC, TiN ou Al2O3
Para serem eficazes as camadas devem ser:
•Duras •Refratárias
•Estáveis quimicamente
•Inertes quimicamente para proteger os constituintes do MD de interagir com o material de corte
Revestimentos composição: são grãos finos, livres de ligante e porosidade
São metalurgicamente ligados ao MD (substrato)
São espessos o suficiente para prolongar a vida da ferramenta e finos o bastante para evitar a fragilidade
Maiores camadas podem ser frágeis (p.e. 12 µµµµm) que podem melhorar a reist6encia ao desgaste mas Tenacidade diminui e aumenta tendência ao lascamento: Solução: Novas camadas TiAlN ou AlTiN - PVD - mais finas e resistentes, arestas menores
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CVD
PVD
Processos de revestimentos para ferramentas
CVD
PVD
Ferramenta Revestida
Microscopia das camadas do recobrimento (Sandvik)
Material da Ferramenta: Cerâmica
Tipos de Materiais cerâmicos para ferramenta:
1) à base de óxido de alumínio (Al2O3) - SINTERIZADA
•Puro e prensado a frio = Cor Branca •Puro e prensado a quente = Cor Cinza •Teor de MgO, Função inibir crescimento de Grão;
• CrO, Ti e Ni: ↑↑↑ resistência mecânica ou Al↑ 2O3↓↓↓↓% de ZrO2 que aumenta a
tenacidade do material
2) à base de Nitreto de Silício (Si3N4) com fase intergranular de SiO2
sinterizados na presença de de alumina e/ou óxido de ítrio e óxido de manganês •3) CERMETS = Fase Cerâmica + Fase Metálica - Semelhante ao MD
•Partículas duras: TiC, TiN e/ou TiCN (ao invés de WC, TiC e TaC do MD) e Niquel como ligante (ao invés de Co)
•Podem ser revestidos com TiN - menor atrito e tendência a BUE Endentação
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Material da Ferramenta: CBN e PCBN
Nitreto de Boro Cúbico (borazon, CBN ou PCBN):
BCl
4+ NH
3
BN + 3 HCl
BN tem estrutura de grafite hexagonal.
Na presença de Pressão (5 GPa a 9 GPa) e Calor (T = 1500
oa
1900
oC) na presença de um catalisador (Lítio) podem
transformar para estrutura cúbica = plaquetas de CBN.
Espessura da camada formada = 0.5 mm sobre MD
Quimicamente mais estável que o Diamante para usinar
metais ferrosos
Tenacidade do CBN ~ Cerâmica (Nitretos) e 2 x Al
2O
3Dureza < Diamante porém 2x Al
2O
3Material da Ferramenta: CBN e PCBN
Desgaste e Vida de Ferramenta
Largura do
Desgaste de
Flanco
Prof. de
usinagem ap
f
}
Desgaste do
raio
Entalhe
Desgaste de
Cratera
DESGASTE
DE FLANCO
Metal duro
Desgaste e Vida de Ferramenta
x
y
onde
K
Tv
ou
tempo
T
velocidade
v
C
T
x
y
1
=
=
=
=
=
ν
Tempo de Corte
(min)
D
es
gs
at
e
de
F
la
nc
o
(V
B)
0.50 mm
Critério de
Desgaste - Flanco
40
20
v= 100
m/min
v= 130
m/min
20
Desgaste e Vida de Ferramenta
Desgaste e Vida de Ferramenta
Para Determinar o valor de C e y no gráfico
anterior, selecione dois dos três pontos da
curva e resolva a equação simultaneamente
Solução:
Escolha os dois pontos extremos: v=160 m/min, T =
5 min, and v = 100 m/min, T=41 min, temos que:
160(5)
y=C
100(41)
y=C
=> 160(5)
y=100(41)
yln(160)+y(ln5)=1n(100)+y(ln41) => 0.47=2.1042y
y=0.47/2.1042=0.223 => C = 160(5)
0.223=229
Desgaste e Vida de Ferramenta
•Em estudos de usinabilidade utiliza-se V60
ao invés de C.
•
Tabela X.3 pg 466 (Ferraresi)
•ym = 0.3 para MD
•ym = 0.15 para AR
Desgaste e Vida de Ferramenta
12,20
216
19,95
186
Vida da
Ferramenta (T)
min
Velocidade
de corte
Vc(m/min)
Exemplo: Ferramenta de MD Aço Normalizado 0,45%
C, f= 0,25mm/rev ap = 2,5 mm; Lf = 200 mm
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Desgaste e Vida de Ferramenta
V x Ty= C Portanto 186 (19,95)y= 216 (12,2)y (19,95/12,2)y= 216/186 (1,635)y= 1,161 y log 1,635 = log 1,161 y = 0,3036 Assim 186 (19,95)0,3036= 461,5 (m/min) = C VT0,3036= 461,5
Desgaste e Vida de Ferramenta
Quantas peças podem ser
torneadas sob estas condições com essa vida de ferramenta quando se usa uma Rotação 366 rpm?
Exemplo a: Ferramenta de
MD
Aço
Normalizado
0,45% C, f = 0,25mm/rev
ap = 2,5 mm, Di =110 mm;
Lf = 200 mm; Ferramenta
triangular:
considerar
apenas 3 arestas de corte.
Formulário:
c
f
c
c
f
t
T
Z
V
l
t
n
f
V
=
=
⋅
=
Desgaste e Vida de Ferramenta
Exemplo:
O gráfico abaixo mostra as curvas de desgaste de flanco em função do tempo (vida da ferramenta) para diversas velocidades de corte. Determine os parâmetros y e C , respectivamente, da equação de Taylor para ferramenta em questão, usando como critério para fim de vida da ferramenta VB = 0,8 mm.
a) 0,348; 562 b) 0,455; 664 c) 0,375; 700 d) 0,257; 500
Desgaste e Vida de Ferramenta
Kronemberg
Tabela X.14 p.484, encontra-se os valores de Co, f, g e y e ferramentas de MD e AR. Correção para X p. 502 Tabela X.18
ASME mesma fórmula (Tabela X.13, multiplicar Co por 3.5 e utilizar 0.15 para aço) Fator de Correção : y f g
T
s
G
Co
v
⋅
⋅
=
60
5
g o g osen
sen
v
v
sen
sen
v
v
o o 2 45 2 4545
45
=
⇒
=
χ
χ
χ χ24
Desgaste e Vida de Ferramenta
y f g
T
s
G
Co
v
⋅
⋅
=
60
5
g o g o sen sen v v sen sen v v o o 2 45 2 45 45 45 = ⇒ = χ χ χ χDesgaste e Vida de Ferramenta
Exemplo: Material da Peça: Aço ABNT 1045 (σr = 60daN/mm2), Ferramenta de
Metal duro P-20
f = 0,5 mm/rev ap = 5 mm
Ângulo de Posição χ =30º Calcular
a) A velocidade de corte para uma vida de 30 min, segundo Kronemberg b) As constantes da fórmula de Taylor: Tvx= k e vTy= C
Co= 123; f00,125; g = 0,125; y = 0,167 (Tabela X.14 para aço 60 daN/mm2;
Desgaste e Vida de Ferramenta
Valores de y para formula de Taylor para diversos materiais de ferramenta (vcTy= C)
(valores aprox. em operações de torneamento f = 0,25 mm/ver e ap = 2,5 mm. Não aço refere-se a Alumínio, latão e ferro fundido
600 -0,25 CERMET Não aço Aços -3000 -0,6 Cerâmica Não aço Aços -700 -0,25 Metal duro com Cobertura
Não aço Aços 900 500 0,25 0,1 Metal duro Sem Cobertura
Não ferrosos Aços 70 20 0,1 0,1 Ligas fundidas Não ferrosos Aços 120 70 0,1 Aços rápidos Não ferrosos Aços C y Material de Ferramenta/material da peça
Desgaste e Vida de Ferramenta
Exemplo aplicação na indústria:
Empresa de Médio para Grande porte:
68% das arestas das pastilhas de torneamento
utilizadas eram trocadas antes do momento
adequado
Relação entre o crescimento na corrente do
motor de acionamento da máquina e o
desgaste (através de um amperímetro
instalado na máquina) queda de 16%.
Fonte: Pires, J.R., Diniz, A.E., Evitando o desperdício de ferramentas detorneamento – uma aplicação em chão de fábrica – Revista máquinas e metais, no. 370, pp. 73-85, 1996.
