Corte por Arranque de Apara (CAA)
Cutting (Machining)
SUMÁRIO / SUMMARY
Corte por Arranque de Apara (CAA)
Cutting or Machining
Materiais para Ferramentas
Cutting Tool Materials
CAA – Materiais para Ferramentas
Cutting Tool Materials
Corte por Arranque de Apara (CAA) – Materiais para Ferramentas
Cutting or Machining – Cutting Tool Materials
Os materiais para ferramentas deverão possuir:
•Elevada resistência à deformação do gume cortante;
•Elevada resistência ao desgaste a frio e a quente;
•Elevada tenacidade para suportar as intermitências ou descontinuidades do corte;
•etc
The tool materials should have:
•High resistance to deformation of the cutting edge;
•High wear resistance to cold and hot cutting conditions;
•High toughness to support breaks or cutting discontinuities;
•etc
Não existe material para ferramenta que possua todas estas características. Pelo que se tem
que selecionar aquela que possuir as propriedades mais adequadas para a aplicação em
causa.
No tool material has all these features. So, we have to select the one with the most suitable
properties for each specifics application.
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CAA – Materiais para Ferramentas
Cutting Tool Materials
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Cutting or Machining – Cutting Tool Materials
Só temos conseguido desenvolver materiais segundo a diagonal
“errada”
We have been developing tool materials along the "wrong“ diagonal:
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Cutting or Machining – Cutting Tool Materials
Os materiais para ferramentas deverão possuir:
•Dureza e resistência à compressão;
•Resistência à flexão e ao choque;
•Conservação do fio das arestas (grão fino);
•Resistência ao calor;
•Resistência à oxidação;
•Pequenas velocidades de difusão;
•Pequena tendência a soldar (baixo atrito);
•Pequeno coeficiente de dilatação térmica (baixas tensões térmicas);
•Boa condutibilidade térmica (pequenos gradiantes térmicos);
•Grande calor específico (variações de temperatura pequenas e lentas).
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CAA – Materiais para Ferramentas
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The tool materials should have:
•Hardness and compression resistance;
•Flexural strength and shock resistance;
•Ability to keep sharp edges (fine grain);
•Heat resistance;
•Oxidation resistance;
•Small diffusion speed;
•Little tendency to weld (low friction);
•Small coefficient of thermal expansion (lower thermal stress);
•Good thermal conductivity (small thermal gradients);
•Large specific heat (small and slow changes in temperature).
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Materiais para ferramentas
•Aços carbono (200ºC);
•Aços de baixa liga (Indeformáveis);
•Aços rápidos e Aços Rápidos Revestidos
(500ºC a 600ºC e Vc dupla da dos Aços
carbono);
•Estelites;
•Carbonetos (Vc o dobro da dos HSS);
•Cerâmicos (1200ºC, Vc 1,5 a 4 vezes as dos
carbonetos);
•Cermets;
•Diamante
(Vc da ordem dos 5000m/min).
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Tool materials
•Carbon Tool Steels (200ºC);
•….;
•High speed steels (HSS) and Coated HSS
(500ºC to 600ºC and Vc double that of Carbon
Steel);
•Cast Alloys;
•Cemented carbides;
•Ceramics;
•Cermets;
•Diamond.
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CAA – Materiais para Ferramentas
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Aços Carbono e Aços Indeformáveis
Normalmente só se usam aços carbono com teor de carbono superior a 0,6%, temperados
e revenidos.
São muito duros a frio mas perdem a sua dureza a temperaturas superiores a 200ºC.
Por isso só se utilizam para trabalhos a baixas temperaturas (ferramentas manuais ou para
o corte de madeira).
Os aços indeformáveis contêm como elementos de liga mais comuns W, Cr e V, em teores
relativamente baixos. Esses elementos formam carbonetos mais duros e resistentes ao
desgaste que o Fe3C e, como resistem melhor ao revenido, conservam melhor a dureza a
quente.
Utilizam-se em trabalhos relativamente leves de reparações.
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Carbon Steels and Low Alloy Steels:
Normally only carbon steels with carbon content higher then 0.6%, quenched and
tempered, are used.
They are very hard at cold temperature but lose their hardness at temperatures higher than
200° C.
So, they are only used to work at low temperatures (hand tools or tools for cutting wood)
The non-deformable, or low alloy steels, contain as common steel alloying elements W, Cr
and V, at relatively low levels. These elements form carbides harder and higher wear
resistant than the Fe3C and as showing stronger resistance to tempering, they retain
hardness at hot cutting conditions.
They are used in relatively light maintenance and repair works
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Aços Rápidos e Aços Rápidos Revestidos
Tiveram a sua origem nos trabalhos sistemáticos de Taylor e praticamente eliminaram a
utilização de ferramentas de aço carbono, pois conservam a dureza até temperaturas da
ordem dos 500ºC a 600ºC e permitem, por isso, velocidades duplas destes.
Os principais elementos de liga são W, Cr, V, Mo e o Co. De acordo com a DIN são
designados pela letra S seguida dos teores em W, Mo, V e Cr, por esta ordem. Por
exemplo: S 18-1-2-10 ou S 2-9-2-8.
São forjáveis e podem ser revestidos (TiN é o revestimento mais usual) ou tratados
superficialmente como por exemplo serem cromados ou nitrogenados. As ferramentas de
aço rápido revestidas permitem um aumento considerável da Vc e são um forte
concorrente às de carbonetos.
O seu ponto forte é o compromisso entre a sua resistência ao desgaste e a tenacidade (bom
exemplo disso é o serem usados na maquinagem de Ti que dá apara semicontínua).
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Aços Rápidos e Aços Rápidos Revestidos (continuação)
De acordo com as normas AISI, podem ser classificados em 2 categorias fundamentais:
• Aços rápidos com tungsténio (Grupo T)
• Aços rápidos com molibdénio (Grupo M)
Apareceram os aços rápidos obtidos por via pulverometalúrgica, permitiram o aumento da
dureza superficial, a diminuição do coeficiente de atrito e o aumento da resistência ao
desgaste.
Nunca conseguirão atingir a dureza a quente dos carbonetos. Contudo, são mais fáceis de
fabricar em geometrias complexas (navalhões, fresas, brochas e brocas) e têm maior
tenacidade (corte com formação de outros tipos de apara que não a ACR, maquinagens
descontínuas devido a heterogeneidades geométricas ou intrínsecas ao material e
máquinas ferramentas não robustas e com folgas).
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Estelites ou Ligas Fundidas
São ligas fundidas de Co e de elementos geradores de carbonetos (W, Cr e Mo).
Não são forjáveis, pelo que a forma da ferramenta tem que ser obtida por afiamento
diretamente a partir da forma fundida.
Conservam a dureza até temperaturas mais elevadas que os aços rápidos mas, em
contrapartida, são mais frágeis.
Consequentemente, têm um campo de aplicação muito limitado entre os HSS (que são
preferidos para as Vc relativamente baixas) e os carbonetos (que são preferidos para as Vc
altas).
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Carbonetos ou Metal Duro
São constituídas por pós de carbonetos vários e de cobalto, elemento aglomerante, que são
misturados nas proporções adequadas, compactados em prensas apropriadas e de seguida
sinterizados em fornos de atmosfera controlada (fabrico por via pulverometalúrgica).
Este processo permite obter uma estrutura melhor que a das estelites (fundidas) e uma
liberdade total para a escolha e dosagem dos vários constituintes.
Os carbonetos vulgarmente utilizados são os de tungsténio, titânio, tântalo e nióbio.
Apresentam-se sob a forma de pastilhas de formatos vários, soldadas por brasagem ou,
atualmente, fixadas mecanicamente a um cabo de ferramenta ou suporte, não sendo
previsto, geralmente, o seu afiamento.
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Carbonetos ou Metal Duro (continuação)
De acordo com a norma ISO, classificam-se segundo o seu campo de aplicação.
Distinguem 3 grupos (P, M e K) por ordem crescente de resiliência e decrescente de
resistência ao desgaste. Dentro de cada grupo, distinguem-se classes designadas por 2
dígitos (ex: P01, P20, M10, etc) de resiliência crescente, dentro de cada classe, e
resistência ao desgaste decrescente, com o número.
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Carbonetos ou Metal Duro (continuação)
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Carbonetos ou Metal Duro (continuação)
Os carbonetos revestidos, consistem num substrato tenaz à base de WC + Co e por vezes
WC + TiC + Co e de um revestimento muito resistente ao desgaste de carboneto de titânio
(TiC) com uma espessura da ordem dos 5µm.
Com o revestimento pretende-se: ter substrato tenaz e a superfície revestida ter elevada
dureza, baixo coeficiente de atrito, elevada estabilidade química, baixa reatividade, ter
características de material refratário (para que a temperatura não se eleve), garantir ligação
eficaz ao substrato, impedir a existência de grandes gradientes térmicos, etc.
Posteriormente foram introduzidas novas técnicas de revestimento que permitiram a
realização de revestimentos múltiplos, multicamada, que permitiram uma maior aderência
do revestimento ao substrato e um melhor desempenho do mesmo. Como exemplos desses
revestimentos temos TiN, TiCN e Al2O3, entre outros.
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Carbonetos ou Metal Duro (continuação)
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Carbonetos ou Metal Duro (continuação)
Os carbonetos de grão muito fino apresentam uma elevada resistência ao choque, e
estabilidade da aresta de corte a qual pode ser bem afiada o que os torna muito adequados
para operações de acabamento.
A utilização de ferramentas de carbonetos convencionais ou revestidos permite uma MRR
muito superior à obtida com HSS, Vc superiores, por vezes o dobro, que promovem
melhor acabamento superficial, menores tempos de produção da peça e uma maior vida da
ferramenta (entre 3 a 15 vezes) com menores custos de substituição ou afiamento da
ferramenta.
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Cerâmicas
Os materiais cerâmicos para ferramentas mais vulgarmente utilizados são o óxido de
alumínio Al2O3, cerâmica branca, prensada a frio e uma mistura de Al2O3 com TiC,
cerâmica negra, prensada a quente. Esta última não sendo exatamente uma cerâmica é
designada por CERMET.
Possuem elevada dureza e resistência ao desgaste mas têm uma muito pequena resistência
ao choque, pelo que permitem cortar a muito altas velocidades mas só de geometrias sem
descontinuidades importantes.
As cerâmicas brancas são utilizadas essencialmente em cortes de acabamento de aços e
ferros fundidos enquanto a cerâmica negra, Cermet, permite o corte interrompido.
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Cerâmicas (continuação)
Conservam a dureza até temperaturas da ordem dos 1200ºC, apresentam grande
estabilidade pois resistem bem a fenómenos de oxidação e de difusão, possuem baixo
coeficiente de atrito e não permitem a formação de apara aderente (exceto no caso do
corte de ligas de Al, Mg e Ti, com as quais se verificam reações químicas e
consequentemente não são recomendadas para o corte dessas ligas), resultando daqui a
redução da espessura mínima que se pode cortar, consegue-se eliminar excentricidades da
ordem de 0,01mm.
Permitem utilizar Vc 1,5 a 4 vezes superiores às usadas com as ferramentas de carbonetos.
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Cerâmicas (continuação)
As maiores limitações dos cerâmicos, que tal como os carbonetos, são fabricados em
“pastilhas”, que são fixadas por aperto mecânico, resultam da sua pequena resistência à
flexão e da grande sensibilidade ao choque.
Destas limitações resulta a necessidade de cortar aparas com pequenas espessuras
(avanços da ordem dos décimos de milímetro), em cortes não interrompidos e com início e
fim de contacto o mais afastado do bico da ferramenta (ângulo aparente de corte principal,
χ, e direção de aproximação e afastamento adequados), e de utilizar máquinas muito
robustas sem folgas nem vibrações.
Posteriormente surgiram outras cerâmicas como por exemplo Si3N4, por vezes adicionado
com Al2O3 e com óxido de ítrio numa matriz de TiC. Uma outra variedade é o Sialon.
Todas estas novas variedades apresentam tenacidades não tão distantes da dos carbonetos
o que os torna indicados por exemplo para desbaste e semi-acabamento de ligas de níquel,
quer em torneamento quer em fresagem.
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Cerâmicas (continuação)
Têm um campo de aplicação ainda limitado pois exigem MF de elevada potência e
rigidez. Contudo, permitem muito altas velocidades de corte (500 m/min) o que permite
obter muito bons acabamentos dispensando operações de retificação.
Não devem ser usadas a baixas velocidades de corte pois dão origem a desgastes maiores
(julga-se que por diminuição da tenacidade com a diminuição da temperatura) do que os
carbonetos e são totalmente inadequadas para o corte de ligas de Al, Ti e Mg.
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Cermets
Já havíamos visto que “os materiais cerâmicos para ferramentas mais vulgarmente
utilizados são o óxido de alumínio Al2O3, cerâmica branca, prensada a frio e uma mistura
de Al2O3 com TiC, cerâmica negra, prensada a quente. Esta última não sendo exatamente
uma cerâmica é designada por CERMET”.
Ou seja, são constituídas no essencial, por misturas de cerâmicos com compostos
metálicos, geralmente TiC e TiN, aglomerados com Ni e Co.
Deverão ser usados numa gama de Vc inferior à aconselhada para as cerâmicas, mas
superior à dos carbonetos, sendo especialmente indicadas para operações de acabamento
ou desbaste ligeiro, quer em torneamento, quer em fresagem. Não sendo um material
revestido a pastilha pode ser retificada no fim do processo de sinterização, ficando com a
aresta bem afiada e originando excelentes acabamentos, por exemplo Rmax = 2 µm.
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Cermets (continuação)
São adequados ao desbaste ligeiro de acabamento de aços ao carbono e ligados, aços
inoxidáveis e, nalguns casos, ao corte de ligas de Al, Ni e materiais não metálicos.
São no entanto inadequados para desbastes pesados e para o corte de ligas não ferrosas
(Al, Cu, Ni, etc) com a exceção referida.
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Nitreto de Boro Cúbico (CBN)
Começou por ser um material usado nas mós de retificação antes de começar a ser
aplicado em pastilhas para torneamento e para fresagem.
A partir de grãos muito finos de nitreto de boro de estrutura hexagonal, que são sujeitos a
uma elevada pressão e temperatura na presença de um metal (que forma uma fase de
aglomerante) é obtida uma massa sinterizada, policristalina, de CBN.
Pode ser fornecido na forma de insertos sólidos de CBN ou sob a forma de uma camada
de revestimento sobre uma pastilha de carbonetos.
Possuem maior dureza a frio e a quente do que os cerâmicos e uma tenacidade superior à
generalidade dos carbonetos. Têm elevada condutividade térmica, grande estabilidade
química, elevada resistência à oxidação e pouca afinidade com os aços a elevadas
temperaturas, pelo que são recomendados para a maquinagem de aços endurecidos.
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Nitreto de Boro Cúbico (CBN) (continuação)
Pastilha de carboneto revestida por CBN e insertos maciços de CBN
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Nitreto de Boro Cúbico (CBN) (continuação)
Para além da maquinagem dos aços endurecidos são também recomendados para a
maquinagem de ligas de cobalto e níquel, ferro fundido branco muito duro com adições de
crómio e níquel, de elevada abrasividade.
No entanto na maquinagem de aços macios ou de pequena liga e de algumas ligas de
níquel dão resultados inferiores aos obtidos com carbonetos.
São geralmente utilizados a seco, sem refrigeração, e permitem avanços e
descontinuidades superiores aos admitidos pelos cerâmicos.
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Diamante
O diamante pode ser utilizado puro (mono cristal) ou sinterizado com ligas de Fe-Ni ou de
Co.
É o material de maior dureza e também o de maior fragilidade.
Do mesmo modo que para os cerâmicos, também para o diamante as secções de corte têm
que ser pequenas (larguras de 0,1 a 0,5mm e espessuras de 0,03 a 0,05mm) para que as
forças de corte sejam pequenas. Podem-se atingir Vc de 5000m/min.
É muito adequado para o corte de ligas de Al, borracha, porcelana, pedra, cerâmicos e
vidro.
É inadequado para cortes interrompidos ou com vibrações.
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Materiais para ferramentas e vida da ferramenta (Lei de Taylor)
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Materiais para ferramentas e Vc e avanços em torneamento
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• Materiais para Ferramentas
Auto-estudo
• Kalpakjian S., Manufacturing Processes for Engineering Materials, ed.
Addison-Wesley, 2003
• Google & Youtube – Cutting Tool Materials.
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