7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
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7 BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
15 a 19 de abril de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil
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April 15 to 19 , 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
ESTUDO DA USINABILIDADE DO AÇO VP 100 COM DIFERENTES
TEORES DE TITÂNIO A PARTIR DA ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DE
ASPECTOS MICROESTRUTURAIS DO MATERIAL NO DESGASTE DE
FLANCO DA FERRAMENTA DE CORTE.
Mauro Araújo Medeiros, [email protected]
Flávia Cristina Sousa e Silva, flavia [email protected]
Márcio Bacci da Silva, [email protected]
Álisson Rocha Machado, [email protected]
Celso Antônio Barbosa, [email protected]³
1
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão, Av. Getulio Vargas, 004 Mte Castelo CEP: 65.020300 - São Luis – MA - Brasil,
2
Universidade Federal de Uberlândia, Avenida João Naves de Ávila, 2121, bloco 1O, CEP: 38.408-902, Uberlândia,
MG – Brasil,
³Villares Metals S.A., Rua Alfredo Dumont Villares, 155, CEP: 13.178-902, Sumaré, SP – Brasil.
Resumo: Durante a fabricação de um molde de injeção de plástico, a usinagem é parte importante dos processos
envolvidos. Entretanto, a composição química necessária para se obter propriedades mecânicas tais como dureza,
resistência ao desgaste e à corrosão, que são fundamentais nos aços utilizados para esse fim, levam a uma baixa
usinabilidade, tendo como conseqüência um baixo volume de material removido até o fim de vida da ferramenta de
corte, devido ao acentuado desgaste gerado. Neste trabalho, é investigado o comportamento em usinagem do aço VP
100 utilizado na fabricação de moldes de injeção de plástico. Para tanto, utilizou-se duas versões do VP100, sendo
uma com 270 e outra com 350 partes por milhão (ppm) de titânio. Os testes realizados compreendem oito condições de
usinagem diferentes em operações de fresamento frontal. Foram observados aspectos microestruturais relativos à
quantidade e distribuição de carbonitretos de titânio em cada uma das modalidades de VP100, considerando-se a
influência desses aspectos na evolução do desgaste de flanco das ferramentas. O aço VP 100 com 350 ppm de Ti
apresentou um melhor desempenho em cinco dos oito testes realizados evidenciando que, nesse caso, um maior teor de
titânio melhorou a usinabilidade do aço em estudo.
Palavras-chave: Usinabilidade, aços para moldes de injeção de plástico, microestrutura, desgaste de flanco, aço VP
100.
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1. INTRODUÇÃO
A indústria de moldes de injeção de plástico se constitui em um setor crescente devido à grande utilização de peças
plásticas em outros setores. Esses moldes são fabricados a partir de barras de aço fundidas e laminadas, cujas cavidades
são geradas através de operações de usinagem que representam a maior parte do tempo de manufatura e do custo final
do molde. O aço tem mais influência no custo total do molde devido à sua usinabilidade do que através do custo do
material bruto. Por esta razão, a otimização das condições de usinagem se faz necessário para se reduzir os custos de um
molde (Rech, Calvez e Dessoly, 2004).
A usinabilidade é geralmente definida em termos de força, potência consumida, volume de material removido,
desgaste da ferramenta, acabamento e integridade da superfície final. Logo, um material com boa usinabilidade
geralmente apresenta baixo consumo de potência durante a usinagem, bem como uma pequena taxa de desgaste com
grande volume de material removido e bom acabamento final (Kalpakjian, 1985).
O aperfeiçoamento das variáveis de resposta como vida da ferramenta, forças de corte, rugosidade da superfície
podem resultar numa melhora significativa dos custos nas operações de usinagem através da otimização dos parâmetros
de corte, tais como avanço, velocidade de corte e profundidade de corte (Armarego, 1994). Essa otimização pode levar
a um maior volume de material removido durante a usinagem, minimizando os custos de fabricação do molde.
Algumas peças de plástico são produzidas em séries, em ciclos muito curtos, usando moldes com muitas cavidades.
Outras possuem grande tamanho e são fabricadas em menores escalas e ciclos maiores. Independente do tipo de
produção, um molde para ser usado na injeção de plásticos precisa está em perfeita condições de uso. Para adquirir bons
resultados, moldes com boa qualidade devem ser usados, uma vez que qualquer imperfeição será reproduzida na peça
plástica. Uma importante decisão para se obter um bom molde é selecionar um aço apropriado para a aplicação. Na
indústria brasileira de moldes, o aço mais utilizado é o AISI P20, que é uma liga de aço-cromo-molibidênio. Este
material é classificado como um aço ferramenta, utilizado para fabricação de moldes de injeção de plástico, matrizes de
extrusão, moldes de sopro, ferramentas de perfilar e outros componentes estruturais (Abou-El-Hossein et al, 2007).
A dureza do material é uma propriedade importante a ser levada em conta na seleção de um aço. Os aços com
dureza na faixa de 38 a 42 HRC são indicados para moldes que requerem mais resistência. Durezas maiores implicam
numa melhora na polibilidade do aço. Bons níveis de polibilidade permitem a obtenção de moldes para peças plásticas
que necessitam ser translúcidas. É o caso de lentes de faróis e lanternas de carros, que devem ter uma transparência tão
elevada como a obtida com vidro.
O VP100 é um aço desenvolvido com elementos microligantes, como titânio e vanádio, que pode ser endurecido
em condições de resfriamento diferentes da têmpera tradicional apresentando dureza homogênea da superfície para o
núcleo do bloco com dimensões de até 400x 1200mm² de secção. O menor uso de elementos de liga no aço VP100,
como por exemplo, o baixo teor de cromo, contribui para a diminuição dos custos de fabricação do mesmo, aumentando
sua competitividade. A sua concepção não emprega altas taxas de resfriamento, levando a uma considerável redução
das tensões residuais. Além destas características, o fato deste aço possuir teor de carbono menor que os aços
tradicionais, faz com que, após aplicação de solda, apresente o ajuste por usinagem facilitado, devido à menor dureza
gerada. Para usiná-lo recomenda-se menores velocidades de corte e maiores avanços, sendo seu comportamento, nos
processos de texturização e polimento, semelhante ao dos aços tradicionais como, por exemplo, o VP 20 ISO (Mesquita,
2009).
A comparação de propriedades é importante durante a seleção do material do molde. A escolha é feita de acordo
com o grau de abrasão do plástico a ser injetado, da aparência da peça solicitada e da resistência desejada da ferramenta
(Pinedo e Barbosa, 1995).
Este trabalho tem como objetivo comparar a usinabilidade dos aços VP 100 com 270 e 350 ppm de titânio usados
na fabricação de moldes de injeção de plástico. A usinabilidade, neste caso, é expressa a partir da análise do volume de
material removido e do desgaste de flanco das ferramentas de corte em operações de fresamento frontal.
2. MATERIAIS E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
2.1 Ferramentas e material da peça utilizada
Os ensaios de fresamento utilizaram insertos de metal duro revestido KC725M da Kennametal, com uma camada
tripla de TIN TICN TIN, depositada pelo método PVD, montadas em uma fresa de topo haste weldon
32A03F039B32SSP10G com três pastilhas, também da Kennametal. A máquina-ferramenta utilizada foi um Centro de
Usinagem Discovery 760 CNC SIEMENS 810D, com faixa de rotação entre 7 e 7000 rpm e 15 CV de potência.
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Os testes de usinagem utilizaram operações de fresamento de topo. Como resultado dos testes foi observado o
desgaste de flanco da ferramenta de corte e a rugosidade média da superfície das peças fresadas. Os corpos de prova
utilizados foram dois blocos maciços do aço VP100, sendo um com 350 ppm de titânio e outro com 270 ppm de titânio,
além de um bloco do aço VP 20 ISSO, utilizado como material de comparação por ser o mais amplamente utilizado no
mercado. A Fig. (1) apresenta a montagem de um dos corpos de prova montado na mesa do centro de usinagem.
Figura 1. Bloco de VP 100 utilizado nos ensaios de fresamento montado na mesa do centro de usinagem
2.2 Monitoramento do processo
Nos ensaios de fresamento, a evolução do desgaste das ferramentas foi monitorada utilizando-se um microscópio
ótico com câmera digital modelo SZ61, fabricante Olympus, equipado com uma placa de aquisição de sinais com
resolução de 16 bits e taxa máxima de amostragem 1,25 MS/s. e software LabVIEW 7. A figura 2 apresenta a montagem
desses equipamentos.
Figura 2. Esquema de montagem do sistema de aquisição de imagens da evolução do desgaste das ferramentas.
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A cada ciclo de fresagem completo o desgaste de flanco da ferramenta foi medido o desgaste em função da
rugosidade média até um VBmax = 0,5 mm. Entenda-se por ciclo de fresagem uma passada completa da fresa sobre a
superfície do bloco de material em usinagem, onde a fresa exerceu movimentos de avanço nos dois sentidos,
concordante e discordante, sempre com uma penetração de trabalho igual à 24mm e sem perder contato com a peça até
o fim do ciclo. A figura 3 ilustra a trajetória da fresa do inicio ao fim de um ciclo de fresagem.
Figura 3. Trajetória da fresa do inicio ao fim de um ciclo de fresagem.
Foram realizados, também, ensaios de dureza com ambos os aços, cujos resultados são apresentados na tab.(1),
onde é possível observar que a dureza média do aço VP 100 com 270 ppm de Ti é menor do que a dureza média do aço
VP 100 com 350 ppm de Ti.
Tabela 1. Dureza media dos aços VP100
Ensaio de Dureza Rockwell C
Durômetro Universal Wolpert - Carga: 150 Kg
Aço
Dureza Média HRc
Desvio Padrão
VP100 270 ppm Ti
30
1,6
VP100 350 ppm Ti
33
1,5
2.3 Ensaios de fresamento
A partir dos ensaios de fresamento realizados foi possível observar a evolução do desgaste da ferramenta em função
do volume de material removido, para os aços VP100 com 270 e 350 ppm de titânio, utilizando-se seis condições de
usinagem diferentes para cada ciclo completo de fresamento (fig. 3). Os parâmetros de usinagem utilizados em cada
uma das seis condições testadas estão descritos na tabela 2. Em todos os casos utilizou-se uma penetração de trabalho ae
= 24mm recomendado pelo fabricante da ferramenta.
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Tabela 2. Parâmetros utilizados nas condições de usinagem testadas.
Condições de Usinagem
1
2
3
4
5
6
7
8
Unidade
vc = 100
vc = 200
vc = 100
vc = 200
vc = 200
vc = 100
vc = 100
vc = 200
m/min
f = 0,1
f = 0,1
f = 0,2
f = 0,2
f = 0,1
f = 0,1
f = 0,2
f = 0,2
mm/dente
ap = 1
ap = 1
ap = 1
ap = 1
ap = 2
ap = 2
ap = 2
ap = 2
mm
Os resultados relativos à evolução do desgaste das ferramentas utilizadas nos testes de fresamento, adotaram um
desgaste de flanco máximo VBmax = 0,5mm recomendado pela norma ISO 8688-2/1989, sendo que a análise do
desgaste foi feita para cada ciclo completo de fresamento, em função do volume de material removido da peça fresada.
O comportamento do desgaste das ferramentas utilizadas no fresamento do aço VP100 com 350 ppm de titânio,
demonstrou que foram necessárias 13 passadas completas na condição 1 até que o fim de vida da ferramenta fosse
atingido, cujo volume de material removido foi de aproximadamente 473,9 cm3. Já para condição 4, apenas três
passadas completas foram o suficiente para que a ferramenta atingisse o fim de vida, sendo o volume de material
removido de aproximadamente 247,25cm3.
Figura 4. Evolução do desgaste da ferramenta utilizada nos ensaios de fresamento do aço VP100 com 350 ppm de
Titânio utilizando Vc = 100m/min, ap = 1mm, fz = 0,1mm/dente e ae = 24mm a) 1ª passada b) 6ª passada c) 13ª e
última passada.
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Figura 5. Evolução do desgaste da ferramenta utilizada nos ensaios de fresamento do aço VP100 com 350 ppm de
Titânio utilizando Vc = 200m/min, ap = 2mm, fz = 0,1mm/dente e ae = 24mm a) 1ª passada b) 2ª passada c) 3ª e
última passada.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados são apresentados nas figuras 6, 7 e 8 onde é possível observar um contraste entre os valores relativos
ao volume de material removido para cada material testado nas condições especificadas.
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4500
Volume Removido (cm³)
4000
3500
3000
VP 20 ISO
2500
VP100 270
2000
VP 100 350
1500
1000
500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Condições de Usinagem
Figura 6. Volume de material removido nos teste de fresamento nas oito condições de usinagem utilizadas (tab. 2)
para os aços VP 100 com 270 e 350 ppm de titânio.
A partir dos resultados obtidos é possível perceber que o VP100 com 350 ppm de titânio apresentou um volume de
material removido maior ou igual ao VP100 com 270 ppm de titânio em quase todas as condições testada. Uma análise
mais detalhada de alguns desses resultados pode ser observada nos gráficos das figuras 7 e 8 onde é apresentado o
volume removido nos testes de fesamento para cada estágio da evolução do desgaste da ferramenta até o fim de vida.
Figura 7. Desgaste de flanco em função do volume de material removido obtidos nos testes de fresamento
realizados na condição 1 (tab. 2) dos aços VP100 com 350 e com 270 ppm de titânio.
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Figura 8. Desgaste de flanco em função do volume de material removido obtidos nos testes de fresamento
realizados na condição 3 (tab. 2) dos aços VP100 com 350 e com 270 ppm de titânio.
Os gráficos apresentados evidenciam a tendência de comportamento dos aços estudados indicando uma melhor
usinabilidade do aço VP100 com 350 ppm de titânio. Nesse caso, um maior percentual de titânio, bem como uma maior
dureza apresentados por esse aço em relação ao VP100 com 270 ppm de titânio, não implicaram em uma piora da sua
usinabilidade. O aço VP20 ISO apresentou melhor desempenho em todas as condições.
Na microestrutura das duas modalidades do VP100 apresentadas na figura 9, observa-se uma diferença na
distribuição e forma das partículas de carbonitretos de titânio, onde o VP 100 com 350 ppm de Ti apresenta uma maior
segregação dessas partículas para o contorno de grão, gerando micro trincas que fragilizam o material. o que justifica
seu melhor desmpenho em relação ao VP100 com 270 ppm de Ti.
Figura 9 - Micrografia indicando a presença de carbonitreto de titânio na microestrutura dos aços: (a) VP100
com 270 ppm de Ti e (b) VP100 com 350 ppm de Ti
CONCLUSÕES


©
O aumento do percentual de titânio e o aumento da dureza do aço VP100 com 350 ppm de titânio, não
tornaram pior a sua usinabilidade em relação ao VP100 com 270 ppm de titânio;
O aço VP100 com 350 ppm de titânio apresentou uma melhor usinabilidade do que o aço VP100 com 270
ppm de titânio em quase todas as condições testadas;
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O VP 100 com 350 ppm de Ti apresenta uma maior segregação dessas partículas para o contorno de grão,
gerando micro trincas que fragilizam o material. o que justifica seu melhor desmpenho em relação ao
VP100 com 270 ppm de Ti;
6. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES, CNPq e FAPEMIG, pelo apoio financeiro e à Villares Metals S.A. pelo
fornecimento dos materiais para esta pesquisa.
7. REFERÊNCIAS
Abou-El-Hossein, K.A., Kadirgama, K., Hamdi, M., Benyounis, K.Y., 2007, “Prediction of cutting force in end-milling
operation of modified AISI P20 tool steel”, Journal of Materials Processing Technology, 182, pp. 241–247.
Armarego, E. J. A., 1994, “Machining Performance Predictions for Modern Manufactoring”, Proceedings of the
Seventh International Conference on Production and Precision Engineering and Fourth International Conference on
High Technology, Chiba, Japan, p. k52.
International Standard, Tool life testing milling – End milling – ISO 8688-2 pg. 14:1989(E).
Kalpakjian, S., 1985, “Manufacturing Processes for Engineering Materials”, Addison – Wesley Publishing Company.
Machado, Á. R,; Coelho, R. T.; Abrão, A. M.; Silva, M. B. Teoria da Usinagem dos Materiais, 1ª ed. São Paulo:
Editora Edgard Blücher Ltda. 2009.
Mesquita, R. A., Barbosa, C. A., 2005, “40 HRC Plastic Mould Steels: Manufacturing Properties Considerations”,
Annals of 18th International Congress of Mechanical Engineering, COBEM, Brazil.
Mesquita, R.A. Capuccio, G.V. Barbosa, C.A. Aço VP100 para moldes de conformação de termoplásticos, Revista
CDestaque – Villares Metals, Sumaré – São Paulo, 33ª ed. Setembro de 2009.
Pinedo, C. E., Barbosa, C. A., 1995, “Desenvolvimento de Aços Ferramenta Endurecíveis por Precipitação”,
Proceedings of 50o Congresso da ABM, São Pedro-SP, Brazil.
Rech, J.; Le Calvez, C.; Dessoly, M. , 2004, “A new approach for the characterization of machinability – application to
steels for plastic injection molds”, Journal of Materials Processing Technology, 152, pp. 66 – 70.
8. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
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7 BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil
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May 20 to 24 , 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
STUDY OF THE MACHINABILITY OF VP 100 STEEL WITH DIFFERENT
CONTENT OF TITANIUM FROM THE ANALYSIS OF THE
MICROSTRUCTURAL INFLUENCE OF THE MATERIAL IN TOOL
FLANK WEAR.
Mauro Araújo Medeiros, [email protected]
Flávia Cristina Sousa e Silva, flavia [email protected] 2
1
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão, Av. Getulio Vargas, 004 Mte Castelo CEP: 65.020-300 - São
Luis – MA - Brasil,
2
Universidade Federal de Uberlândia, Avenida João Naves de Ávila, 2121, bloco 1O, CEP: 38.408-902, Uberlândia,
MG – Brasil,
Márcio Bacci da Silva, [email protected]
Álisson Rocha Machado, [email protected]
Celso Antônio Barbosa, [email protected]³
³Villares Metals S.A., Rua Alfredo Dumont Villares, 155, CEP: 13.178-902, Sumaré, SP – Brasil.
Abstract. During the fabrication of a mold, the machining is certainly the main process. The composition required to
obtain important properties of the steels used, such as hardness, wear resistance and corrosion, resulting in poor
machinability significantly affect the roughness of surfaces generated. In this study, we investigated the behavior of VP
100 steel used in the manufacture of plastic injection molds. For this purpose, we used two versions of VP100, one with
270 and one with 350 parts per million (ppm) of titanium. The tests consist of eight different machining conditions in
face milling operations. Were observed microstructural features related to the amount and distribution of titanium
carbonitrides in each of the VP100 arrangements, considering the influence of aspects in the development of tool flank
wear. The VP100 steel with 350 ppm Ti outperformed in five of the eight tests showing that, in this case, a higher
titanium content of the steel improved machinability study.
Keywords: Machinability, steels for plastic injection moulds, microestructure, tool flank wear, VP100 steel.
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