ANÁLISE DO DESGASTE DE FERRAMENTAS DE CORTE COM DIFERENTES REVESTIMENTOS NO FRESAMENTO DO AÇO INOXIDÁVEL AISI 420 Ronaldo Carlos Rohloff, [email protected] Eltom João Deglmann, [email protected] Adriano Eudorico Albano, [email protected] Adriano Fagali de Souza, [email protected] 1 Sociedade Educacional de Santa Catarina, Rua Albano Schmidt, 3333. Joinville - SC - 89.206-001 Resumo: Devido às excelentes propriedades mecânicas e características físico-químicas, a utilização do aço inoxidável cresce exponencialmente nos últimos anos para diversas aplicações. Uma importante aplicação é na indústria de moldes e matrizes, para o processamento de materiais poliméricos. Neste setor, as operações de fresamento são amplamente empregadas para dar forma aos componentes, porem pouco se conhece a respeito da usinagem destes aços, em termos de parâmetros de corte, geometria de ferramentas e seus revestimentos. Sabe-se que a velocidade de corte tem grande influencia no desgaste da ferramenta e novos revestimentos estão sendo desenvolvidos para esta aplicação. Neste contexto, o presente trabalho objetiva-se investigar a utilização de diferentes revestimentos de ferramentas de corte na usinagem por fresamento do aço inoxidável AISI 420. É investigado o desgaste de ferramentas co-relacionado ao comprimento usinado para três diferentes tipos de revestimentos da ferramenta. Os resultados mostram uma significativa influência do tipo de revestimento na evolução do desgaste das ferramentas. Palavras-chave: Revestimentos; Desgaste de Ferramenta; Fresamento; Aço Inoxidável AISI 420. 1. INTRODUÇÃO A utilização de produtos e componentes plásticos tem crescido exponencialmente nas últimas décadas e, cada vez mais, moldes de injeção são necessários para a fabricação de todos estes produtos. A indústria de moldes representa a posição chave de toda cadeia de produção, afetando os custos, a qualidade e o tempo de entrega destes produtos. Além disso, os projetistas estão utilizando geometrias complexas nas formas dos produtos, tornando-os mais atraentes para a comercialização e conseqüentemente, aumentando a complexidade de fabricação destes produtos (Boujelbene et al., 2004; Souza et al., 2007; Lazoglu, 2003 e Ferreira et al., 2010). Os avanços nas tecnologias de produção (aumento da velocidade de corte, velocidade de avanço, etc) provocaram um crescimento exponencial da comercialização dos revestimentos PVD para ferramentas de corte e por outro lado, os avanços tecnológicos no domínio das tecnologias de revestimento (TiAlN, AlCrN e revestimentos nanocompósitos) também possibilitaram esses avanços em tecnologias de fabricação (Kalss et al., 2006). Novos materiais formam a base para a tecnologia do século 21, e a indústria de nanomateriais é um dos domínios prioritários da ciência e engenharia moderna. Em engenharia de superfície, em especial, a forma dos multicomponentes e os filmes nanoestruturados com tamanho de cristalino menores que 100nm são uma importante e vigorosa tendência à desenvolver no domínio dos nanomateriais e da nanotecnologia (Shtansky et al., 2010). Entretanto, usinagem é um processo extremamente complexo e, recentemente, uma série de parâmetros mecânicos foi introduzido para melhor caracterizar o comportamento de um revestimento de ferramenta. (FoxRabinovich et al., 2006). A usinagem de materiais de alta performance geralmente levam a problemas técnicos, como severos desgastes das ferramentas de corte, baixa eficiência de usinagem, alto custo de produção, etc. Desenvolvimento de novos e melhores materiais para ferramentas de corte é a chave para lidar com os mais recentes materiais de alto desempenho. Para uma determinada peça a ser usinada, geralmente há dezenas ou mesmo centenas de opções de materiais para ferramentas sugeridas por fornecedores de ferramentas de corte (Yuefeng et al., 2010). O que faz filmes nanoestruturados únicos, é a alta fração de volume e força das interfaces, a ausência ou baixa densidade de discordâncias dentro dos cristalinos, a possibilidade de mudança do cristalino para fase amorfa e a solubilidade mútua de componentes metalicos e não metálicos nas fases intersticial. Esses fatores permitem a produção de nanomateriais com melhores características químicas e mecânicas, como alta dureza, recuperação elástica, força, estabilidade térmica, corrosão e resistência à oxidação (Shtansky et al., 2010). Na busca de melhor desempenho de ferramentas tem-se focado o emprego de revestimentos finos aplicados ao substrato (metal de base de ferramenta). A deposição de revestimentos tem como objetivo alterar as propriedades da superfície. Entre as características modificadas por meio de revestimentos podem-se destacar as propriedades ópticas, magnéticas, eletrônicas, químicas, resistência mecânica e de resistência ao desgaste (Hogmark et al., 2000). Ainda, sobre as propriedades dos revestimentos, autores destacam a importancia de algumas caracteristicas que influenciam para uma maior vida útil das ferramentas de corte. Segundo Musil (2000), a microdureza de qualquer revestimento é uma propriedade mecânica que influencia a vida de uma superfície de ferramenta de corte, e quanto maior for este valor de dureza, maior também será a vida útil do revestimento aplicado à ferramenta. Shtansky et al. (2010), cita que a principal caracteristica para elevada vida útil de uma ferramenta de corte é a utilização de revestimentos com filmes nanoestruturados. Para aplicações tribológicas, estes filmes nanoestruturados demonstram desempenho superior sob condições de cortes severos e estamparia, sendo também resistente à humidade, ambientes corrosivos e elevadas temperaturas. As propriedades desejadas podem ser alcançadas em revestimentos duros baseados em carbonetos, boretos e nitretos de metais de transição pela complexidade das ligas com outros elementos, tais como Alumínio, Cromo e Silício. Nos últimos anos a indústria de moldes e matrizes tem passado a empregar para suas aplicações, distintos materiais como o aço inoxidável martensítico tipo AISI 420. Este material combina elevada resistência mecânica, resistência à corrosão e foi desenvolvido especificamente para o setor de moldes para injeção de polímeros, sendo indispensável para a injeção de termoplásticos clorados e/ou para trabalhos ou estocagem em ambientes úmidos (Villares Metals, 2008). Segundo Trent e Wright (2000), pode-se afirmar que os aços inoxidáveis apresentam baixa usinabilidade, devido alta resistência a tração, alta taxa de encruamento e alta ductilidade, com forte tendência à aderência nas superfícies da ferramenta durante o corte. Em alguns casos, podem provocar danos na ferramenta, com a quebra do cavaco aderido. Esta característica de baixa usinabilidade é ocasionada pela composição necessária para que apresentem propriedades de elevada resistência mecânica e à corrosão. Esses fatores explicam a tendência do material de formar aresta postiça de corte na ferramenta durante as operações tradicionais de usinagem. Os cavacos removidos durante o corte exercem altas pressões na aresta de corte. Estas pressões, quando combinadas com altas temperaturas na interface cavaco-ferramenta causam a aderência de porções de cavacos na ferramenta. Além disso, a baixa condutividade térmica dos aços inoxidáveis contribui com o aumento do calor durante o corte, ficando maior quantidade de calor na peça e na ferramenta de corte do que a quantidade de calor que é removida juntamente aos cavacos (Lin, 2002 e Silva et al., 2007). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo geral, contribuir com o conhecimento do processo de usinagem por fresamento do aço inoxidável AISI 420. É analisada a evolução do desgaste (VB) em fresas de topo na usinagem do aço inoxidável AISI 420, sem considerar os mecanismos de desgaste, avaliando três diferentes revestimentos de ferramenta, disponíveis no comércio e indicados para a usinagem deste material. 2. METODOLOGIA Neste trabalho é realizado um estudo do desgaste provocado em ferramentas de corte empregados em operações de fresamento em aço inoxidável AISI 420, previamente temperado e com dureza de 51 HRc. Os ensaios foram realizados nos laboratórios de usinagem da Sociedade Educacional de Santa Catarina (Sociesc), unidade de Joinville – SC. A máquina empregada para a usinagem foi um centro de usinagem CNC vertical, modelo Feeler FV-600, com comando Mitsubichi Meldas 500. Os parâmetros de corte avaliados foram correspondentes aos citados na Tab. (1). Os ensaios ocorrem em condições de usinagem sem lubrificação, havendo somente a utilização de ar comprimido sobre a superfície da peça, a fim de remover o excesso de cavaco gerado. Tabela 1. Parâmetros de corte empregados nos ensaios. Velocidade de corte (vc) 150 m/min Profundidade de corte (ap) 0,2 mm Largura de corte (ae) 6,0 mm Avanço por aresta de corte (fz) 0,08 mm/aresta As ferramentas utilizadas nos ensaios são de metal duro, com diâmetro de 8 mm, raio 0,5 mm e com 4 arestas de corte, conforme Fig. (1). Os três revestimentos testados são: a) Triplo revestimento, composto de uma primeira camada de CrN, uma camada intermediaria de AlTiCrN e, uma camada externa aplicada em forma de gradiente de ligas de AlCrN com Si3N4. Este revestimento possui micro dureza (HV) de 4500, espessura de 1 – 5 µm, coeficiente de atrito de 0,35, temperatura máxima de uso de 1100° C. Tal revestimento possui características principais uma alta resistência a abrasão e elevada resistência ao calor. Sua aplicação é recomendada para operações onde uma alta tenacidade e refratariedade é necessária. b) Revestimento com base nano-composta e nano-estruturada em gradiente, tendo em sua superfície uma camada de lubrificante sólido. O gradiente é uma combinação de AlTiN e Si 3N4. A micro dureza deste revestimento (HV) é 5000, a espessura corresponde varia de 1 a 4 µm, o coeficiente de atrito é de 0,15 e a temperatura máxima de uso recomendada é de 1150°C. Esse revestimento possui características como alta resistência ao riscamento e sua principal aplicação é para a usinagem de aços inoxidáveis. c) Revestimento nano estruturado, composto por uma combinação de AlTiSiN. A micro dureza (HV) deste revestimento corresponde a 3500, a espessura entre 1 a 4 µm, coeficiente de atrito de 0,4 e temperatura máxima de utilização de 900°C. Possui propriedades como a alta dureza a quente, alta estabilidade química, baixa condutividade térmica e elevada proteção ao desgaste. Este revestimento é indicado para aplicações de usinagem sob condições severas de corte. Figura 1. Fresas utilizadas no experimento. O sistema de fixação das ferramentas de corte foi através de cone térmico. Este método permite reduzir vibrações durante o processo de usinagem. Para identificar o nível de desgaste ocorrido nas ferramentas de corte foi utilizado um microscópio estereoscópio Olympus SZ 40, integrado com software Image Pró Plus. A fim de obter uma análise microscópica de modo qualitativo, foi aplicado o aumento de 80 vezes, podendo assim identificar corretamente a grandeza do desgaste provocado nas ferramentas de corte. Ainda, para acompanhar a evolução do desgaste ao longo da usinagem, foi empregado dois comprimentos de usinagem, correspondentes a 26,18 e 52,36 metros. Estes comprimentos foram estabelecidos de acordo com o número de passes da ferramenta sobre os corpos de prova (correspondente a 44 passes) e também pelos dados apurados em um pré-ensaio, onde foi visto que para atingir um VB de 0,8 mm seria preciso um comprimento de 52,36 m de usinagem. Os corpos de prova possuíam uma área de corte com dimensões de 85x42mm, onde a usinagem ocorreu em sentido longitudinal, conforme Fig (2). Figura 2. Sentido de usinagem dos corpos de prova. Foi conduzido um planejamento experimental o qual empregou uma analise de variância (ANOVA) contendo 1 fator com três níveis. O fator corresponde ao revestimento da ferramenta de corte e os níveis correspondem ao tipo de revestimento, denominados A, B e C. Para se obter confiabilidade dos resultados, foi realizada uma réplica de cada experimento. O desgaste da ferramenta foi avaliado em cada aresta de corte pelo valor do desgaste de flanco (VB). Os valores de VB são apresentados pelo valor médio do experimento e sua respectiva réplica. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os avanços tecnológicos estão em franco crescimento para as ferramentas e máquinas-ferramenta, chegando a níveis de elevada excelência. Contudo, o desempenho esperado só é obtido se houver uma completa adequação do processo. Portanto, ao se escolher uma ferramenta de corte é imprescindível ter conhecimento das propriedades do material a ser usinado e da máquina-ferramenta disponível (Zeilmann et al., 2010). Durante a operação de usinagem a quantidade de calor gerada é devida ao cisalhamento causado pela interação entre ferramenta, cavaco e peça. Em função disto, altas temperaturas podem ser observadas na interface cavaco/ferramenta, o que influencia substancialmente o modo de formação do cavaco, forças de corte e vida da ferramenta (Vieira et al., 2010). Em pesquisa realizada por Kalss et al. (2006), reduzindo o custo da ferramenta de corte em 30% e aumentando sua vida útil em 50%, isso representará em apenas 1% dos custos de manufatura. Porem, aumentando em 20 % os parâmetros de corte, isso terá uma representatividade de 15% dos custos totais de manufatura. Sendo assim, para obter resultados consideráveis, as ferramentas de corte e os respectivos revestimentos devem atender as demandas da produtividade. Na Fig (3) são apresentados os resultados obtidos nos ensaios experimentais realizados. Com base nos resultados obtidos, foram realizadas análises do desgaste das ferramentas de corte e os comprimentos de usinagem de cada ferramenta. Figura 3. Evolução do desgaste de flanco ao longo do comprimento de corte. Analisando a Fig (3), observa-se que para o comprimento de 26,18 metros, os valores médios do desgaste de flanco das ferramentas ficaram com valores próximos. Em análise estatistica de tais valores, com o auxilio do Software Minitab, versão 15, para um nível de confiança de 95%, os valores do desvio padrão para os revestimentos A, B e C correspondem ao descrito na Tab (2). Tabela 2. Valores de VB médio e desvio-padrão para os revestimentos. Revestimento A Revestimento B Revestimento C Comprimento de usinagem (m) 26,18 52,36 26,18 52,36 26,18 52,36 VB médio (mm) 0,0781 0,8156 0,1326 0,8870 0,0435 0,2856 Desviopadrão (mm) 0,0236 0,0602 0,0365 0,0495 0,0183 0,1666 Com os valores do desvio padrão descritos pela Tab (2), percebe-se que os revestimentos A, B e C, para o comprimento de usinagem de 26,18 metros, possuem valores em comum dentro do amplitude dos intervalos de confiança correspondentes. Já, para o comprimento de usinagem de 52,36 metros, o comportamento do VB médio e dos intervalos de confiança são diferentes. Na Fig (3) nota-se uma grande diferença dos valores médios do desgaste de flanco para os revestimentos testados. Na Tab (2), obtem-se o desvio-padrão para cada revestimento e consequentemente, os intervalos de confiança. Para um nível de confiança de 95%, os revestimentos A e B possuem valores em comum dentro de seus intervalos de confiança, porem o revestimento C possui seu campo bastante inferior na escala de desenvolvimento do desgaste (mm), variando próximo aos campos de confiança dos revestimentos para o primeiro comprimento usinado (26,18m). A Tab (3) apresenta imagens microscópicas do desgaste para os diferentes revestimentos experimentados, comparando a ferramenta com 26,18 e com 52,36 metros usinados. Tabela 3. Imagens do flanco das ferramentas com diferentes revestimentos. Ferramentas com 26,18m de usinagem Ferramentas com 52,36m de usinagem Revestimento A Revestimento B Revestimento C Para esta tabela, as imagens foram obtidas com um aumento de 80 vezes, em um microscópio estereoscópio, sendo a escala de 1 mm. Através das imagens obtidas por meio de microscópio estereoscópio, não é possível definir claramente os mecanismos de desgaste que prevaleceram no caso investigado. Nota-se apenas uma combinação de diferentes mecanismos. Com o software de estatística utilizado foi possível criar um gráfico que apresenta a distribuição dos dados obtidos (VB) com base na mediana (Fig (2)). Nota-se também, a incerteza dos dados, como já demonstrado na Tab (2). Com o software de estatística utilizado, foi possível criar um gráfico que apresenta a distribuição dos dados obtidos (VB) com base na mediana (Fig (2)). Nota-se também, a incerteza dos dados, como já demonstrado na Tab (2). Figura 4. Distribuição dos dados com base na mediana. Interpretando os dados da Fig (4), nota-se a concentração dos dados analisados, com exceção do revestimento C com 52,36 metros usinados. Neste caso verifica-se uma maior dispersão dos dados variando de 0,141 ate 0,585mm. Atribui-se essa dispersão dos dados a problemas de batimento da ferramenta de corte, pois como há 2 pontos com valores elevados e o restante concentra-se mais abaixo, nota-se que esses 2 pontos correspondem a uma aresta de corte de cada ferramenta (a amostra e a sua réplica). 4. CONCLUSÃO Os resultados dos experimentos de usinagem permitiram identificar diferenças de desgaste para as ferramentas avaliadas, em função do seu revestimento. Por se tratar de usinagem em aço inoxidável, é visto que o desgaste se propaga de modo acelerado, devido tanto a dureza do material como também a condutividade térmica, a microestrutura e demais particularidades destes materiais. Dentre os revestimentos de ferramentas analisados é visto uma desenvoltura muito parecida entre os revestimentos A e B. Estes revestimentos são de um mesmo fabricante e possuem modo de preparação parecido, variando algumas características de composição da cobertura e aplicação desta. Já o revestimento C, que teve destaque frente aos demais vista a sua baixa marca de desgaste de flanco em suas arestas de corte, pertence a outro fabricante e tem em seu modo de preparação um diferencial quando comparado ao primeiro fabricante. Com os dados apurados no presente trabalho não foi possível determinar o real motivo da distinção de desgaste nas ferramentas de corte, pois não foi levada em consideração a espessura e a micro dureza dos revestimentos, itens que possuem grande influencia no desgaste das ferramentas de corte. Para trabalhos futuros, almeja-se prolongar a matriz experimental, aumentando para 3 distintas velocidades de corte, atuando inclusive na faixa de High Speed Cutting, afim de aumentar junto a velocidade também a temperatura do processo de corte. Assim, pode-se ter diferenças entre o desempenho dos revestimentos testados, pois os revestimentos A e B possuem temperatura de oxidação maior do que o revestimento C, que neste caso, demonstrou melhor desempenho. Pretende-se estender também o número de revestimentos para 5, incluindo também mais uma réplica em cada nível do experimento. Essa medida será buscada a fim de aumentar o número de amostras e também a confiabilidade dos experimentos. Também serão realizadas análises dos mecanismos de desgaste envolvidos na usinagem, a fim de realizar comparações entre os mecanismos de desgaste e as propriedades dos distintos revestimentos. Ainda, será realizada a mensuração da espessura e da micro-dureza dos revestimentos, podendo então chegar a conclusões adequadas para o nível do trabalho que esta em desenvolvimento e contribuir de forma significativa para o conhecimento e a evolução do processo de usinagem de aços inoxidáveis. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao grupo de pesquisa ProMolde, a Sociesc, a Ferramentaria Sociesc, a Platit do Brasil S/A, Bodycote Brasimet, a CAPES (Pro-engenharias e Pro-CAD) e a Fapesc pela concessão de bolsa de mestrado. 6. REFERÊNCIAS Boujelbene, M., Moisan, A., Tounsi, N. and Brenier, B., 2004, “Productivity Enhancement in Dies and Molds Manufacturing by the Use of C1 Continuous Tool Path”, International Journal of Machine Tool & Manufacture, V. 44, Amsterdam, Holanda, pp.101-107. Ferreira, A. M., Albrecht, F., Rohloff, R.C., Albano, A. E. e Souza, A.F., 2010, “Estudo dos processos de fabricação para cavidades de moldes com geometrias complexas”, Revista do Instituto Superior Tupy, V. 10, Joinville, Brasil, pp. 43-51. Fox-Rabinovich, G.S., Beake, B.D., Endrino, J.L., Veldhuis, S.C., Parkinson, R., Shuster, L.S. and Migranov, M.S., 2006, “Effect of mechanical properties measured at room and elevated temperatures on the wear resistance of cutting tools with TiAlN and AlCrN coatings”, Surface and Coatings Technology, V. 200, Ontario, Canadá, pp. 5738–5742. Hogmark, S., Jacobson, S. and Larsson, M., 2000, “Design and evaluation of tribological coatings”, Wear, V. 246, Uppsala, Sweden, pp. 20–33. Kalss, W., Reiter, A., Derflinger, V., Gey, C. and Endrino J.L., 2006, “Modern coatings in high performance cutting applications”, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, V. 24, Liechtenstein, Áustria, pp. 399– 404. Lazoglu, I., 2003, “Sculptured surface machining: a eneralized model of ball-end milling force system”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, v. 43, Amsterdam, Holanda, pp. 453-462. Lin, T. R., 2002, “Experimental design and performance analyses of TiN-coated carbide tool in face milling stainless steel”, Journal of Materials Processing Technology, v. 127, Huwei, Taiwan, pp. 1-7. Musil, J., 2000, “Hard and superhard nanocomposite coatings”, Surface and Coatings Technology, V. 125, Plzen, Czech Republic, pp. 322–330. Shtansky D.V., Kiryukhantsev-Korneev, V., Bashkova, I.A., Sheveiko, A.N. and Levashov, E.A., 2010, “Multicomponent nanostructured films for various tribological applications”, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, V. 28, Moscou, Rússia, pp. 32–39. Silva, F., Pereira, J., Ferreira, C., Silva, M. B., 2007, “Análise do torneamento do aço inoxidável abnt 304 através da temperatura do cavaco”, 17º Simpósio do Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, Brasil. Souza, A. F., Albano, A., Balzer, P. S., Reis, A. R. and Hupalo, M. F., 2007, “Investigation of mould manufacturing chain part I: Project methodology and first results”, 19th International Congress of Mechanical Engineering, Joinville, Brasil. Trent, E. M. e Wright, P. K., 2000, “Metal Cutting”, Butterworths, 4th edition, Boston, USA. Vieira, J. M., Guimarães, P. R. A., Àvila, R. F., Machado, A. R. e Silva, R. B., 2010, “Desempenho de ferramentas de metal duro revestidas com TiAlN e CrAlN durante torneamento do aço nb 1047 usando mínimas quantidades de lubrificação”, VI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Campina Grande, Brasil. Villares Metals, 2008, “Catálogo Aços para Moldes”, disponível em http://www.villaresmetals.com.br/portuguese/files/ Cat_Acos_Moldes.pdf, acessado em 28/10/2010. Yuefeng, Y., Wuyi, C. and Liansheng, G., 2010, “Tool Materials Rapid Selection Based on Initial Wear”, Chinese Journal of Aeronautics, Beijing, China, pp. 386-392. Zeilmann, R. P., Nicola, G. L., Tomé, A., Vidor, M. e Bordin, F., 2010, “Análise do desgaste no processo de desbaste do aço ABNT 1045”, VI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Caxias do Sul, Brasil. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho. ANALYSIS OF THE WEAR OF CUTTING TOOLS WITH DIFFERENT COATINGS IN MILLING IN STAINLESS STEEL AISI 420 Ronaldo Carlos Rohloff, [email protected] Eltom João Deglmann, [email protected] 1 Adriano Eudorico Albano, [email protected] Adriano Fagali de Souza, [email protected] 1 Sociedade Educacional de Santa Catarina, Rua Albano Schmidt, 3333. Joinville - SC - 89.206-001 Abstract: Due to excellent mechanical properties and physicochemical characteristics, the use of stainless steel grows exponentially in recent years for various applications. An important application is in the mold and dies industry, for processing of polymeric materials. In this sector, the milling operations are widely used to form the components, but little is known about the machining of these steels, in terms of cutting parameters, tool geometry and their coats. It is known that the cutting speed has great influence on tool wear and new coatings are being developed for this application. In this context, this study aims to investigate the use of different coatings of cutting tools in machining by milling of stainless steel AISI 420. It investigated the tool wear related to co-machined length for three different types of tool coatings. The results show a significant influence of coating on the evolution of tool wear. Keywords: Coatings; Wear Tool, Milling, Stainless Steel AISI 420.