AVALIAÇÃO DO DESGASTE DE BROCAS HELICOIDAIS DE AÇO-RÁPIDO (HSS) MODIFICADAS SUPERFICIALMENTE POR NITRETAÇÃO A PLASMA
Evaluation of Wear High Speed Steel Twist Drill Superficially Modified by Plasma Nitriding
Emerson Miranda DOS SANTOS1 Flávio KIECKOW2 Joviano Janjar CASARIN3
RESUMO
O presente trabalho apresenta um estudo do nível do desgaste de brocas de aço rápido (HSS) submetidas ao tratamento de modificação superficial por Nitretação a Plasma. Este processo eleva a dureza e a resistência mecânica da superfície, auxilia na redução do desgaste e corrosão dos aços, com a vantagem de manter a tenacidade do material. A furação é uma operação de usinagem que envolve elevado tempo de usinagem e elevada geração de energia térmica. Além disso, a retirada do cavaco da região de corte é difícil, o que provoca a transferência de elevada quantidade de calor para a ferramenta e a peça. Apesar do desenvolvimento dos materiais aplicados na fabricação de ferramentas de usinagem, principalmente metal-duro, diversas aplicações ainda preferem o aço rápido quando se trata de brocas de diâmetros pequenos. Em alguns processos, é possível encontrar também máquinas com baixa rigidez, impossibilitando a utilização de ferramentas de metal-duro. Para o desenvolvimento do trabalho foram utilizadas duas condições de teste: na primeira, a velocidade de corte foi de 30 m/min e na segunda de 50 m/min, com respectivos avanços de 0.15 mm/volta e 0.25 mm/volta. Ambas as condições com incremento de corte de 10 mm. Algumas brocas foram nitretadas a Plasma e outras não. O material de trabalho utilizado para os testes foi o ferro fundido nodular. Para o fim da vida da ferramenta foram estabelecidos os seguintes critérios: a falha completa da ferramenta, desgaste no flanco VBmáx = 0,15 mm, ocorrência de ruído excessivo,
ou ainda, micro-lascamento no gume, sendo determinante o que se apresentar primeiro. O principal mecanismo de desgaste visualizado foi o de adesão. A análise mostra que a broca nitretada, na primeira condição, usinou 140% a mais que a broca sem tratamento. Com maior velocidade de corte o aumento no comprimento usinado caiu para 68%.
Palavras chave: Nitretação a Plasma, HSS, Furação, Broca Helicoidal, Ferro Fundido nodular.
ABSTRACT
This work present a study of wear evaluation of the high speed steel twist-drill (HSS) submitted at a process of plasma nitriding. This process increases the surface hardness and mechanical resistance of surface, wear and corrosion of steels, with the advantage of maintaining the tenacity of the material. Drilling is a machining operation which involves high machining time and high thermal energy generation. In addition, the chip removal from .cutting region is not easy, what means high heat transfer to both tool and workpiece. Despite the development of materials used in the manufacture of machine tools, mainly carbide tools, many applications still prefer the high speed steel drills when it comes to small diameters. To develop the study, we used two test conditions: in the first the cutting speed is 30 m/min and the second is 50 m/min, with respective feed of 0.15
mm/revolution and 0.25 mm/rev, both conditions incremental cutting 10 mm. Some drills were nitrided Plasma and not others. The work material used for the tests was the nodular cast iron. By the end of tool life were established the following criteria: complete failure of the tool, flank wear VBmáx = 0.15 mm, occurrence of excessive noise or micro-chipping at the edge, being determinant
whichever comes first. The main tool wear mechanism visualized was the adherence. The analysis shows that the drill nitrided in the first condition, machined 140% more than the untreated drill. With higher cutting speed increases machined in the length was 68%.
Keywords: Plasma nitriding, High Speed Steel, Drilling, Twist-Drill, Nodular Casting Iron.
1. INTRODUÇÃO
Dos processos de fabricação por usinagem, uma das primeiras operações executadas na história e até hoje a mais usada na manufatura de componentes mecânicos, se destaca o processo de furação. A furação, de acordo com levantamentos realizados, representa aproximadamente 33% do número e aproximadamente 25% do tempo de todas as operações de usinagem [1]. A grande maioria das peças da indústria metal mecânica tem pelo menos um furo, e somente uma parte muito pequena dessas peças já vem com este furo pronto oriundo do processo de obtenção da peça bruta. Isso mostra a importância do processo de furação no contexto da indústria de fabricação por remoção de cavaco [2]. Sendo as brocas helicoidais as que se destacam no processo de furação, além de ser uma das ferramentas mais fabricadas e difundidas na usinagem.
Ao longo dos anos são inúmeros os estudos no sentido de melhorar o rendimento desta operação, mas mesmo assim, a furação ainda constitui o principal gargalo das operações de usinagem, isso, devido à complexidade do processo; pois envolve variações de velocidades de corte ao longo dos gumes de corte principais, as quais variam de zero no centro da broca até a velocidade máxima na periferia. Além disso, a própria formação de cavaco ocorre em uma região de difícil acesso no interior do material da peça, prejudicando a expulsão e a dissipação de calor, ficando bastante comprometida quando da ausência de fluido lubri-refrigerante.
Evoluções ao longo dos anos nos processos de usinagem aconteceram, se destacando a descoberta de novos materiais para ferramentas, como as ferramentas de metal duro. Estas possibilitam o uso de parâmetros de corte cada vez mais elevados, garantindo um menor tempo no processo de manufatura. Além disso, são mais resistentes termicamente, mas têm seu desempenho comprometido por serem frágeis. Os materiais para ferramentas evoluíram, mas sua aplicação
ferramentas de aço rápido é a mais apropriada. Entretanto, o desgaste e as falhas prematuras das brocas de aço rápido reduzem a disponibilidade das máquinas, comprometendo a produtividade e elevando os custos de produção [3]. Os problemas de desgaste em ferramentas de corte sempre foram motivos de preocupação, devido à necessidade de garantir o controle dimensional dos componentes e constantes paradas para troca de ferramenta.
Com o crescente aumento da produtividade e a necessidade de diminuição nos tempos de fabricação dos componentes, a vida da ferramenta é de vital importância e se faz necessário melhorar a resistência ao desgaste, à corrosão e à fadiga das brocas, visando uma eficiência maior nos processos produtivos. A tecnologia destinada à melhoria das propriedades mecânicas dos materiais, exigida pela inovação industrial, estão cada vez mais abrangentes. O objetivo é proporcionar uma vida útil da ferramenta mais prolongada, uma melhoria no desempenho de ferramentas. O processo de nitretação a plasma é muito empregado na modificação da superfície de ferramentas, e o uso desse tratamento surge como um método alternativo com este propósito [4, 5, 6, 7, 8].
A nitretação é um processo de tratamento superficial que eleva a dureza, a resistência à fadiga, ao desgaste e à corrosão dos aços, com a vantagem de manter a tenacidade do material tratado. Isto se deve ao fato do tratamento ocorrer em temperatura inferior aos 500 ºC, não provocando alteração de dureza no substrato endurecido por tratamento térmico, pois esta temperatura está abaixo da dureza a quente do aço rápido Tier [9].
O objetivo deste trabalho é realizar um estudo sobre o desgaste de brocas de aço-rápido, com e sem modificação superficial, com a finalidade de avaliar o desempenho de tais ferramentas de corte submetidas a usinagem do ferro fundido.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
As ferramentas de teste serão brocas helicoidais de aço-rápido M2, de diâmetro 8 mm. O diâmetro pequeno é em função das baixas velocidades de corte, já citadas, sendo que, para diâmetros maiores as tecnologias de ferramentas de metal duro são as mais apropriadas.
A máquina-ferramenta utilizada nos ensaios será um centro de usinagem vertical CNC, modelo XV 560A, fabricado pela YCM, cuja rotação máxima do eixo-arvore é de 10.000 rpm e potência de 15 HP, ilustrada na Figura 1. O curso da máquina é 560 mm na direção x, 410 na direção y, e 450 mm na direção z.
Figura 1 - Centro de usinagem XV 560 A.
O material de trabalho será o ferro fundido nodular na forma de chapas, na dimensão de 45 mm no sentido z. Essa espessura deve ser criteriosamente respeitada, pois os furos terão profundidades de 40 mm, sendo considerado um processo de furação profunda, ou seja, 5 vezes o diâmetro da broca. Já as demais dimensões para a chapa, o fator limitante é o curso da máquina-ferramenta.
A Tabela 1 apresenta as características do material do corpo de prova.
Tabela 1 - Composição química e características do ferro fundido nodular [10].
Composição química (%) Dureza (HB)
C Si Mn S P
3 - 4 1,8 - 2,8 0,1 - 1,0 0,01 - 0,03 0,01 - 0,10 161
As operações de furação serão em cheio, ou seja, sem pré-furos ou furos de centro. Como o processo consiste em furação considerada profunda, será utilizado avanço intermitente (ciclo pica-pau), com incremento de 10 mm. O avanço intermitente auxilia na saída do cavaco e proporciona
Tabela 2 - Parâmetros de corte.
Velocidade de corte (m/min) Avanço (mm/volta)
Condição 1 30 0,15
Condição2 50 0,25
Em cada condição serão ensaiadas brocas de aço rápido comuns e brocas de aço rápido submetidas ao processo de nitretação a plasma, conforme os parâmetros da Tabela 3. O ensaio será repetido 2 vezes, ou seja, 1 ensaio e duas réplicas. A média do comprimento furado será o valor considerado para o fim da vida das brocas.
Tabela 3 – Parâmetros do processo de Nitretação a Plasma.
Variáveis do processo Parâmetros
Tempo 30 minutos
Temperatura 400ºC
Pressão 600 Pa
Fonte Tensão continua
Para o fim da vida da ferramenta, foram estabelecidos alguns critérios: falha completa da ferramenta, largura da marca de desgaste no flanco VBmáx = 0,15 mm, ocorrência excessiva de ruído,
ou ainda micro-lascamento no gume, sendo determinante o que se apresentar primeiro. Sendo o principal critério de fim da vida da ferramenta o desgaste de flanco VBmáx, as brocas serão
observadas e medidas a cada 2 furos realizados.
As medições da marca de desgaste serão realizadas em um microscópio de medição, modelo Toolmaker’s Microscope, fabricado pela Mitutoyo. A câmera Moticam 2300 acoplada ao microscópio fará fotografias ao longo dos ensaios. Tais fotografias serão monitoradas pelo Software
Motic Images Plus 2.0, pelo qual também se realizará as medições do desgaste.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Figura 3 mostra o gráfico dos resultados do desgaste de flanco em relação ao comprimento usinado, de acordo com as condições 1 e 2 da Tabela 2, juntamente com a condição da superfície da broca obtida pelas condições estabelecidas na Tabela 3. Como o ruído é um critério de falha da ferramenta, procurou-se observar minuciosamente sua variação, observando assim que o ruído começou a se elevar para todas as condições quando o desgaste de flanco atingiu 0,11 mm.
O resultado do monitoramento contido no gráfico nos permite observar que para a condição 1, sem nitretação, a ferramenta usinou 1,6 m, equivalente a 40 furos, atingindo fim de vida devido ao desgaste de flanco de VB = 0,15 mm. Na condição 2, sem nitretação, a ferramenta alcançou um comprimento usinado de 4,16 m, alcançando 104 furos. O fim da vida desta broca ocorreu devido ao ruído excessivo, a qual chegou ao desgaste de flanco VB = 0,1455 mm. A ferramenta nitretada a plasma, na condição 1, obteve 3,84 m de comprimento usinado, chegando a um desgaste de flanco VB = 0,15 mm, usinando 96 furos. Na condição 2, a ferramenta nitretada, obteve o comprimento usinado de 6,96 m, equivalendo a 174 furos. O critério determinante para o fim de sua vida foi o de ruído excessivo, alcançando desgaste de flanco nesta condição de VB = 0,14 mm.
O maior problema observado no comportamento das ferramentas na usinagem foi quanto a adesão do material de trabalho no gume da ferramenta. Esta adesão foi mais significativa em velocidade de corte menor (condição 1) e nas ferramentas não nitretadas. Isto pode ser visualizado nitidamente nas Figuras 4, 5, 6 e 7. Esse comportamento pode ser explicado pelo menor coeficiente de atrito conferido à superfície das brocas que passaram pelo processo de nitretação a plasma [12]. Para a velocidade de corte maior (condição 2) o efeito da adesão no gume diminuiu, mas não foi suprimido. Este fato de ainda permanecer material de trabalho no gume da ferramenta foi o maior responsável pelo ruído excessivo (usinagem com gume postiço) e conseqüente fim de vida da ferramenta.
(a) (b)
Figura 4 – Imagem na condição de corte 1 sem Tratamento: (a) Gume principal ampliada 20x, (b)
Gume principal ampliada no software Motic Images Plus 2.0.
(a) (b)
Figura 5 – Imagem na condição 1 com Tratamento: (a) Gume principal ampliada 20x, (b) Gume
principal ampliada no software Motic Images Plus 2.0.
(a) (b)
Figura 6 – Imagem na condição 2 sem Tratamento: (a) Gume principal ampliada 20x, (b) Gume
principal ampliada no software Motic Images Plus 2.0.
(a) (b)
Figura 7 – Imagem na condição 2 com Tratamento: (a) Gume principal ampliada 20x, (b) Gume
4. CONCLUSÃO
Conclui-se que para menores velocidades de corte (condição 1) a broca nitretada a plasma usinou 96 furos, contra 40 furos da broca HSS sem tratamento superficial, superando-a em 140%. Para maiores velocidades de corte (condição 2), a broca nitretada superou em 68% a broca sem tratamento superficial. Este resultado sinaliza que para velocidades de corte mais baixas o ganho no tempo de vida da ferramenta das ferramentas nitretadas é mais significativo ainda.
Comparando ferramentas sem tratamento superficial trabalhando a baixa velocidade de corte (condição 1) com ferramentas nitretadas trabalhando em maior velocidade de corte (condição 2) é possível obter ganhos de comprimento usinado de até 335%.
Velocidades de corte maiores permitem aumentar o comprimento usinado, porém aumentam o nível do ruído do processo de usinagem, principalmente a partir de 0,11mm de desgaste de flanco. Isto porque na condição de trabalho adotada ainda permanece o mecanismo de desgaste por adesão, ou seja, a ferramenta continua usinando com gume postiço de corte.
Resumindo, brocas nitretadas a plasma têm o seu desempenho significativamente melhorado devido ao endurecimento superficial e ao baixo coeficiente de atrito na superfície sem prejudicar a tenacidade necessária para esse tipo de operação analisada neste trabalho.
5. AGRADECIMENTOS
Aos financiadores PIIC/URI pelo oferecimento da bolsa e sua estrutura, ao prof. Msc. Joviano Janjar Casarin e ao prof. Dr. Flávio Kieckow, pela oportunidade da bolsa e orientação, e ao funcionário Samuel Katz pelo apoio nos ensaios no laboratório de usinagem da URI campus de Santo Ângelo.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Miranda, G.W.A., 2003, “Uma contribuição ao processo de furação sem fluído de corte com broca de metal duro revestida com TiAlN”, Tese (Doutorado), Universidade Estadual de Campinas, Campinas, SP, Brasil, 160 p.
Diniz, A. E., Mercondes, F. C., Coppini, N. L., 2006, “Tecnologia da Usinagem dos Materiais”, 5a Ed., São Paulo, Editora Artliber.
Blücher, 751 p.
Stemmer, C. E.,1995, “Ferramentas de corte I”. 4ª ed. Ed. UFSC, Florianópolis, RS, Brasil.
Pessin, M.A.; Tier, M.D.; Strohaecker, T.; Bloyce, A.; Sun, Y.; BelL, T. , 2000, “The effects of plasma nitriding process parameters on the wear characteristics of AISI M2 tool steel”.
