Apostila Usinagem PUC Minas - Capítulo 09

Apostila Usinagem PUC Minas - Capítulo 09

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Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta

Capítulo 9 Avarias, Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta

9.1 Avarias nas Ferramentas de Corte

As ferramentas de corte usadas no corte interrompido (fresamento) são freqüentemente rejeitadas por lascamento, trincamento ou quebras. Neste tipo de operação o desenvolvimento do desgaste uniforme, na superfície de folga ou saída, será dominante apenas se a ferramenta de corte possuir tenacidade suficiente para resistir aos choques mecânicos e térmicos inerentes a tais processos. No corte interrompido, uma aresta de corte pode sofrer avarias na entrada, no meio ou na saída do corte, durante um ciclo ou revolução da ferramenta.

A influência da temperatura de corte no tipo de falha da ferramenta de corte é bem conhecido. As temperaturas num corte interrompido flutuam ciclicamente, aumentando durante o tempo ativo, diminuindo durante o tempo inativo. As condições térmicas das ferramentas de corte utilizadas em cortes interrompidos têm sido investigadas por vários pesquisadores (Bathia et alli, 1986 e Palmai, 1987). A variação cíclica desta temperatura é ilustrada na Figura 9.1. Nesta Figura a curva (a) representa o corte contínuo, em que a temperatura sobe rapidamente entrando em regime, a curva (b) mostra como o resfriamento ocorre cessado o corte, enquanto que a curva (c) é a resultante no corte interrompido, onde durante o ciclo ativo, há geração de calor, aumentando a temperatura da ferramenta, seguido do ciclo inativo, resfriando-a. Com isto a temperatura flutua ciclicamente.

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Figura 9.1 - Variação cíclica da temperatura de corte no processo de corte interrompido (Palmai, 1987).

Resultados destas investigações mostraram que a distribuição de temperatura depende das condições de corte (principalmente velocidade de corte, avanço e relação entre o tempo ativo e inativo de um ciclo), do material da ferramenta de corte e do material da peça.

A flutuação cíclica da temperatura na interface cavaco-ferramenta leva a uma modificação, também cíclica, da distribuição da tensão na região de corte da ferramenta, o que pode provocar a formação de trincas térmicas, conforme apresentado na Figura 9.2.

Figura 9.2 - Distribuição da temperatura e de tensões em pastilhas de metal duro, no corte interrompido (Ferraresi, 1977).

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Ferraresi (1977) explica isto da seguinte maneira: “a Figura 9.2“a” mostra a curva de

distribuição de temperatura em relação à profundidade “X”, a partir do ponto de contato cavaco-ferramenta. A camada superficial, a uma temperatura bastante alta se dilata. Porém as camadas subsequentes a temperaturas inferiores, terão uma dilatação bem menor. Como consequência, tais camadas impedirão o processamento de uma dilatação muito maior na camada superficial (camada de contato cavaco-ferramenta) gerando tensões de compressão (Figura 9.2“b”). Em conseqüência disto, haverá tensões de tração a uma certa distância da superfície de contato. Num instante de tempo seguinte, com a variação da temperatura de corte, isto é, com o resfriamento da camada de contato (devido ao tempo inativo), essa camada estará submetida à tração, enquanto que as camadas subsequentes passarão a ser solicitadas à compressão (Figura 9.2 “c” e “d”).

Recentemente, Wang et alli (1996) apresentaram um estudo teórico e experimental sobre a temperatura da ferramenta e o desenvolvimento de trincas no fresamento e, concluíram que a queda de temperatura na superfície da ferramenta durante o ciclo inativo pode ser desconsiderada. Segundo eles as tensões diminuem gradualmente dentro da ferramenta após ela sair do movimento de corte e perder contato com a peça. As trincas térmicas não ocorrem nesse período. O ciclo de entrada e saída de calor é o responsável pelas trincas e fadigas de origem térmicas.

Além da ação cíclica do corte interrompido, este fenômeno pode ser provocado por variação da temperatura causado por acesso irregular do refrigerante de corte (Ferraresi, 1977). Essa flutuação cíclica de tensão promoverá o aparecimento de trincas por fadiga nas ferramentas de metal duro (as ferramentas de aço rápido têm tenacidade suficiente para suportarem as variações de tensões sem nucleação de trincas). Essas trincas, que são de origem térmica, levarão ao desenvolvimento do que se conhece por “sulcos desenvolvidos em forma de pente”, ilustrado na Figura 9.3.

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Pesquisadores como Kakino et alli (1984) e Chandraserkaram (1985), têm se dedicado ao estudo da origem destas trincas. Eles concluíram que elas se tornam a maior causa de falhas na ferramenta, em velocidades de corte elevadas. Já a velocidades de corte baixas, as trincas de origem mecânica são as principais responsáveis pelas falhas das ferramentas de corte.

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Figura 9.3 - Sulcos desenvolvidos em forma de pente.

9.2 Desgaste nas Ferramentas de Corte

Durante a usinagem dos metais a ação de cortar muda a forma e, portanto, a geometria original da ferramenta de corte. Verifica-se um desgaste progressivo tanto na superfície de folga como na superfície de saída da ferramenta. A Figura 9.4 apresenta as principais áreas de desgaste.

Figura 9.4 - Principais áreas de desgaste de uma ferramenta de corte (Dearnley e Trent e Wright, 1982).

Com base na Figura 9.4 pode-se distinguir pelo menos três formas de desgaste: i) Desgaste de cratera (área A);

Sandro Cardoso Santos e Wisley Falco Sales 160 i) Desgaste de flanco (área B);

Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta i) Desgaste de entalhe (áreas C e D).

As fotografias apresentadas na Figura 9.5 foram obtidas por meio de microscopia eletrônica de varredura e permitem identificar o desgaste de cratera nas ferramentas de corte.

Figura 9.5 Desgaste de cratera em ferramentas de corte.

Antes que um desses desgastes atinja grandes proporções, de maneira a colocar o processo de corte em risco, a ferramenta deverá ser reafiada ou substituída.

Mecanismos de Desgaste

Em condições normais de corte, uma das formas de desgaste apresentadas na Figura 9.4 irá prevalecer, e se desenvolver por vários mecanismos. A literatura apresenta variações na classificação dos mecanismos de desgaste, porém, grande parte dos

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Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta trabalhos existentes consideram pelo menos seis mecanismos diferentes (Ferraresi, 1977, e Palmai, 1987), sumarizados na Figura 9.6.

"Attrition"

Figura 9.6 - Mecanismos e processos de desgaste que podem acontecer nas ferramentas de corte (Trent e Wright, 1991).

Os mecanismos de desgaste como difusão, abrasão ou "attrition" atuam isoladamente ou em conjunto, promovendo desgastes nas formas de deformação plástica por cisalhamento, por altas tensões de compressão ou por entalhe. No quadro apresentado na Figura 9.6 podem ser considerados mecanismos de desgaste os de numerais: 3, 4 e 5, enquanto são formas de desgaste os de numerais: 1, 2 e 6. A seguir serão definidos cada um destes mecanismos ou formas:

1) Deformação Plástica Superficial por Cisalhamento a Altas Temperaturas

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Este não é propriamente um mecanismo mas sim um processo de desgaste e ocorre mais provavelmente na usinagem de metais com alto ponto de fusão em ferramentas de aço rápido. As tensões cisalhantes na interface cavaco-ferramenta são suficientes

Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta para causar deformação plástica superficial. Devido às altas temperaturas ali desenvolvidas, a resistência ao escoamento do material da ferramenta, próximo à interface, é reduzida. Como conseqüência, material é arrancado da superfície da ferramenta, formando-se assim uma cratera como visto na Figura 9.6 ”1”.

2) Deformação Plástica da Aresta de Corte sob Altas Tensões de Compressão

Este também é mais um processo do que um mecanismo de desgaste, que ocorre na usinagem dos materiais de alta dureza. A combinação de altas tensões de compressão com altas temperaturas na superfície de saída, pode provocar deformação plástica da aresta de corte das ferramentas de aço rápido e metal duro. Geralmente ocorre a altas velocidades de corte e avanço e leva a uma falha catastrófica (Figura 9.6 ”2”). A deformação plástica da aresta de corte pode ser observada na Figura 9.7.

Figura 9.7 Aspecto da aresta de corte de uma broca de metal duro deformada plasticamente. A – ferramenta nova; B – ferramenta após chegar ao final de vida (Santos, 2002)

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3) Desgaste Difusivo

Este mecanismo envolve a transferência de átomos de um material para outro e é fortemente dependente da temperatura e solubilidade dos elementos envolvidos na zona de fluxo. A área desgastada, quando observada no microscópio, é "lisa". Em usinagem, as velocidades relativas entre ferramenta e peça ou entre cavaco e ferramenta são altas e o tempo de contato entre estes materiais é muito pequeno. Isto praticamente levaria o mecanismo de difusão a ser desprezível, se não fosse a existência de uma zona de aderência (zona morta ou zona de fluxo) na interface cavaco-ferramenta (Trent e Wright, 1991). A saturação desta zona de aderência poderá funcionar como uma barreira à difusão. Entretanto esta zona não é estável e se renova periodicamente, garantindo assim o fluxo difusivo. Este mecanismo de desgaste poderá atuar tanto na superfície de saída como na superfície de folga, e a taxa de desgaste irá aumentar com aumento da velocidade de corte e avanço (Figura 9.6 ”3”).

4) Desgaste por Aderência e Arrastamento - "attrition"

Este mecanismo ocorre, geralmente, a baixas velocidades de corte, onde o fluxo de material sobre a superfície de saída torna-se irregular. A aresta postiça de corte pode aparecer e o contato com a ferramenta torna-se menos contínuo. Sob estas condições, fragmentos microscópicos são arrancados da superfície da ferramenta e arrastados junto com o fluxo de material. Este fenômeno geralmente ocorre na zona de escorregamento ao invés da zona de aderência, durante o fresamento, com uso de profundidade de corte irregular ou falta de rigidez do equipamento, ilustrado na Figura 9.6 ”4”). No microscópio, as áreas desgastadas por "attrition" tem uma aparência áspera.

5) Desgaste Abrasivo

O desgaste abrasivo envolve a perda de material por micro-sulcamento, micro-corte ou micro-lascamento causado por partículas de elevada dureza relativa. Estas partículas podem estar contidas no material da peça (óxidos, carbonetos e carbonitretos), ou podem principalmente ser partículas da própria ferramenta que são arrancadas por

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Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta attrition, por exemplo. Este mecanismo de desgaste é muito importante na usinagem usando pastilhas revestidas, cerâmicas puras e cerâmicas mistas (Figura 9.6 ”5”). Marcas de desgaste abrasivo podem ser identificadas na Figura 9.8.

Figura 9.8 Identificação de marcas de desgaste abrasivo (Campos, 2004).

6) Desgaste de Entalhe

O desgaste de entalhe não é propriamente um mecanismo, mas sim uma forma de desgaste. Porém, ainda não existe um consenso na literatura que explique exatamente o mecanismo que provoca o desgaste de entalhe. Ele ocorre, principalmente, na usinagem de materiais resistentes a altas temperaturas e com alto grau de encruamento (tais como: ligas de níquel, titânio, cobalto e aço inoxidável). Geralmente, nas regiões onde acontece este tipo de desgaste, as condições de escorregamento prevalecem e o mecanismo de desgaste, provavelmente, envolve abrasão e transferência de material (difusão e "attrition") e eles são bastante influenciados por interações com a atmosfera. Existem evidências para sugerir que óxidos se formam continuamente e se aderem na ferramenta naquelas regiões. A quebra das junções de aderência entre os óxidos e a ferramenta pode ocasionalmente, remover material da superfície desta última (Wright e Biaggi, 1981).

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Shaw et alli (1966) afirmam que o entalhe na forma de V é formado pelas rebarbas produzidas nas arestas laterais do cavaco, envolvendo um mecanismo de aderência e

Fundamentos da Usinagem dos Materiais - Avarias Desgaste e Mecanismos de Desgaste da Ferramenta arrancamento (Figura 9.6 ”6”). Richards e Aspinwall (1989) também concordam com esta teoria.

König e Schemmel (1975) classificam o desgaste por oxidação como um mecanismo de desgaste. Segundo ele, a formação de óxidos é dependente da liga do material da ferramenta e da temperatura de aquecimento. Para materiais de aço ferramenta e de aço rápido, a oxidação praticamente não tem importância, já que a sua resistência a quente é ultrapassada antes que a superfície apresente uma oxidação mais acentuada, embora Trent e Wright e Wright (1999) mostre evidências de formação de óxidos nestas ferramentas. Para as ferramentas de metal duro, compostos a base de carbonetos de tungstênio e de cobalto, a oxidação inicia-se na faixa de temperatura entre 700 a 800 ºC. A adição de óxido de titânio e outros carbonetos dificultam a oxidação. A região de oxidação normalmente se processa na zona de escorregamento da superfície de saída da ferramenta e na parte inferior da superfície de folga (nos limites do desgaste de flanco). São formados óxidos complexos de tungstênio, cobalto e ferro, que em decorrência da sua expansão volumétrica, em relação ao carboneto de tungstênio, forma elevações na superfície da ferramenta, facilitando o lascamento e a quebra da aresta de corte.

Todos estes mecanismos ou processos de desgaste são observados na prática. Mas, certamente, um prevalecerá sobre os demais, dependendo principalmente do material da peça e da ferramenta, da operação de usinagem, das condições de corte, da geometria da ferramenta de corte e do emprego do fluido de corte. Em geral, os três primeiros mecanismos, somados ao desgaste por oxidação, são mais importantes a altas taxas de remoção de material, onde há o desenvolvimento de elevadas temperaturas. Os três últimos são mais importantes a baixas velocidades, onde as temperaturas de corte são baixas o suficiente para prevenir a ocorrência dos três primeiros (Machado e Da Silva, 1993). Na ferramenta mostrada na Figura 9.9 pode-se identificar a presença do desgaste de entalhe.

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Figura 9.9 – Desgaste de entalhe em ferramenta de corte.

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