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6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil April 11 th to 15 th , 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil © Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO REVESTIMENTO DA FERRAMENTA DE CORTE NA USINAGEM DA LIGA Ti6Al4V Rodolfo da Silva Manera, [email protected] 1 Alessandro Roger Rodrigues, [email protected] 1 Hidekasu Matsumoto, [email protected] 1 Juno Gallego, [email protected] 1 Reginaldo Teixeira Coelho, [email protected] 2 Eraldo Jannone da Silva, [email protected] 2 1 Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - FEIS/UNESP, Av. Brasil Centro, 56 - CEP 15.385-000 - Ilha Sotleira-SP 2 Escola de Engenharia de São Carlos - EESC/USP, Av. Trabalhador São-carlense, 400 - Pq. Arnold Schimidt - CEP 13.566-590 - São Carlos-SP Resumo: A usinagem de materiais de difícil usinabilidade tem um papel importante no desenvolvimento de novas geometrias, substratos e revestimentos para as ferramentas de corte. Considerados materiais de difícil usinabilidade, o titânio e suas ligas são empregados em setores de alto valor agregado, como aeronáutico, aeroespacial e biomédico. Devido às pobres propriedades térmicas do titânio, a ferramenta de corte sofre níveis e taxas de desgastes elevados, que afetam substancialmente a integridade superficial do produto e podem comprometer o seu desempenho em serviço. Como opção ao uso de ferramentas onerosas, como CBN e PCD, a indústria de ferramentas de corte vem tentando fornecer ao mercado ferramentas com diversos tipos de revestimentos visando aumentar o desempenho na usinagem deste material. Este trabalho avaliou o comportamento de diferentes revestimentos de ferramenta de corte no torneamento da liga ASTM F136 Ti6Al4V, considerando como variáveis de resposta a rugosidade da peça, a energia específica de corte e o desgaste da ferramenta. Os resultados apontaram que há um rápido crescimento inicial do desgaste da ferramenta, elevando os níveis de rugosidade e de energia especifica de corte. O revestimento que proporcionou a menor energia especifica de corte não forneceu o melhor perfil de rugosidade e obteve o pior desempenho quanto à evolução do desgaste. Palavras-chave: torneamento de titânio, revestimentos, integridade superficial, desgaste e energia específica de corte. 1. INTRODUÇÃO Apesar das ótimas propriedades mecânicas e de alta resistência à corrosão, o emprego do titânio e suas ligas dá-se como última solução na seleção dos materiais pela sua dificuldade de processamento. A maior aplicação dessa classe de material é na indústria aeronáutica, químico-petroquímica e biomédica, entre outras. Dentre todas as ligas de titânio, a liga Ti6Al4V é a mais utilizada. Este material é um excelente candidato a aplicações de alto desempenho por apresentar alta razão resistência/peso e excelente resistência à corrosão, mesmo em altíssimas temperaturas (Boyer, 1996). Entretanto, a liga apresenta baixa condutividade térmica, promovendo altíssimos gradientes de temperatura na interface cavaco-ferramenta durante a usinagem (Shaw, 1984). Além disso, as ligas de titânio, em geral, apresentam elevada afinidade química com diversos elementos, podendo aderir sobre a superfície de saída da ferramenta durante a usinagem e gerar desgaste por difusão (Machado et al, 2009). Segundo Hong et al (2001), a usinagem de Ti6Al4V forma cavacos serrilhados e não uniformes, que favorecem o surgimento de trepidações, resultando em baixa qualidade superficial e subsuperficial. Portanto, a rugosidade e integridade superficial (micro trincas, deformação plástica, tensão residual, etc.) precisam ser controladas, pois em serviço, esses danos podem levar à fadiga prematura e corrosão sob tensão (Wang, 2000). Do ponto de vista das ferramentas de corte, é exigida cada vez mais resistência ao desgaste na usinagem deste material. Alta dureza em elevadas temperaturas, resistência ao lascamento e à fadiga, baixa reatividade com o titânio e boa condutividade térmica são requisitos para as boas ferramentas de corte (Machado et al, 2009). O uso de revestimentos, além de propiciar maior dureza superficial na ferramenta, em geral minimiza o atrito na interface cavaco-ferramenta, tendo como conseqüência menor deformação plástica e encruamento do material da peça, o que melhora sua integridade superficial (Hong et al, 2001). Nabhani (2001) concluiu em seus estudos que as ferramentas de diamante apresentaram a menor taxa de desgaste e produziram os melhores acabamentos superficiais. Entretanto, as ferramentas de alto desempenho (CBN e PCD) são
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6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
© Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO REVESTIMENTO DA FERRAMENTA DE CORTE NA USINAGEM DA LIGA Ti6Al4V
Rodolfo da Silva Manera, [email protected] Alessandro Roger Rodrigues, [email protected] Hidekasu Matsumoto, [email protected]
Juno Gallego, [email protected] Reginaldo Teixeira Coelho, [email protected] Eraldo Jannone da Silva, [email protected]
1Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - FEIS/UNESP, Av. Brasil Centro, 56 - CEP 15.385-000 - Ilha Sotleira-SP 2Escola de Engenharia de São Carlos - EESC/USP, Av. Trabalhador São-carlense, 400 - Pq. Arnold Schimidt - CEP 13.566-590 - São Carlos-SP
Resumo: A usinagem de materiais de difícil usinabilidade tem um papel importante no desenvolvimento de novas geometrias, substratos e revestimentos para as ferramentas de corte. Considerados materiais de difícil usinabilidade, o titânio e suas ligas são empregados em setores de alto valor agregado, como aeronáutico, aeroespacial e biomédico. Devido às pobres propriedades térmicas do titânio, a ferramenta de corte sofre níveis e taxas de desgastes elevados, que afetam substancialmente a integridade superficial do produto e podem comprometer o seu desempenho em serviço. Como opção ao uso de ferramentas onerosas, como CBN e PCD, a indústria de ferramentas de corte vem tentando fornecer ao mercado ferramentas com diversos tipos de revestimentos visando aumentar o desempenho na usinagem deste material. Este trabalho avaliou o comportamento de diferentes revestimentos de ferramenta de corte no torneamento da liga ASTM F136 Ti6Al4V, considerando como variáveis de resposta a rugosidade da peça, a energia específica de corte e o desgaste da ferramenta. Os resultados apontaram que há um rápido crescimento inicial do desgaste da ferramenta, elevando os níveis de rugosidade e de energia especifica de corte. O revestimento que proporcionou a menor energia especifica de corte não forneceu o melhor perfil de rugosidade e obteve o pior desempenho quanto à evolução do desgaste. Palavras-chave: torneamento de titânio, revestimentos, integridade superficial, desgaste e energia específica de corte.
1. INTRODUÇÃO
Apesar das ótimas propriedades mecânicas e de alta resistência à corrosão, o emprego do titânio e suas ligas dá-se como última solução na seleção dos materiais pela sua dificuldade de processamento. A maior aplicação dessa classe de material é na indústria aeronáutica, químico-petroquímica e biomédica, entre outras.
Dentre todas as ligas de titânio, a liga Ti6Al4V é a mais utilizada. Este material é um excelente candidato a aplicações de alto desempenho por apresentar alta razão resistência/peso e excelente resistência à corrosão, mesmo em altíssimas temperaturas (Boyer, 1996). Entretanto, a liga apresenta baixa condutividade térmica, promovendo altíssimos gradientes de temperatura na interface cavaco-ferramenta durante a usinagem (Shaw, 1984). Além disso, as ligas de titânio, em geral, apresentam elevada afinidade química com diversos elementos, podendo aderir sobre a superfície de saída da ferramenta durante a usinagem e gerar desgaste por difusão (Machado et al, 2009).
Segundo Hong et al (2001), a usinagem de Ti6Al4V forma cavacos serrilhados e não uniformes, que favorecem o surgimento de trepidações, resultando em baixa qualidade superficial e subsuperficial. Portanto, a rugosidade e integridade superficial (micro trincas, deformação plástica, tensão residual, etc.) precisam ser controladas, pois em serviço, esses danos podem levar à fadiga prematura e corrosão sob tensão (Wang, 2000).
Do ponto de vista das ferramentas de corte, é exigida cada vez mais resistência ao desgaste na usinagem deste material. Alta dureza em elevadas temperaturas, resistência ao lascamento e à fadiga, baixa reatividade com o titânio e boa condutividade térmica são requisitos para as boas ferramentas de corte (Machado et al, 2009). O uso de revestimentos, além de propiciar maior dureza superficial na ferramenta, em geral minimiza o atrito na interface cavaco-ferramenta, tendo como conseqüência menor deformação plástica e encruamento do material da peça, o que melhora sua integridade superficial (Hong et al, 2001).
Nabhani (2001) concluiu em seus estudos que as ferramentas de diamante apresentaram a menor taxa de desgaste e produziram os melhores acabamentos superficiais. Entretanto, as ferramentas de alto desempenho (CBN e PCD) são
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ainda muito mais caras em comparação com as de carboneto de tungstênio. Diante disso, tem-se tentado melhorar o desempenho das ferramentas de carboneto de tungstênio em relação às de CBN e PCD.
Este trabalho avaliou a energia específica de corte, o desgaste da ferramenta e a rugosidade da liga Ti6Al4V torneada com três diferentes tipos de revestimentos. 2. MATERIAIS E MÉTODOS
Os ensaios foram conduzidos nas dependências do Laboratório de Otimização de Processos de Fabricação da Escola de Engenharia de São Carlos (OPF/EESC/USP). Foi utilizado um Torno CNC Schaublin 110, Fig. (1a), com rotação máxima de 6000 rpm. Os corpos de prova de Titânio ASTM F136 grau 5, conhecido como liga Ti6Al4V, possuíam dimensões de 5 x 15 mm. Foi empregado fluido de corte de base vegetal com 10% em emulsão em água (tipo VASCO, da Blaser Swisslube®) aplicado na forma de jorro em abundância. As três ferramentas de corte possuem codificação DCGT 11T304 R-F, todas com o mesmo substrato, variando somente os revestimentos: sem revestimento (classe HTi10), com TiNAl (classe VP15TF) e com TiN (classe GP15TF), todas da MITSUBISHI CARBIDE®. A usinagem foi realizada com ângulo de posição de 63°. Os parâmetros de corte são apresentados na Tab. (1).
Tabela 1. Parâmetros de corte empregados na usinagem.
vc [m/min] f [mm/rot] ap [µm]
40 0,01 0,5
A energia específica de corte foi obtida com o uso de um dinamômetro extensométrico com 900 N de capacidade
de medição em cada componente de força (Fc e Ff). A aquisição foi realizada com o uso do software LabVIEW®. A Figura (1) apresenta o aparato experimental dos ensaios.
Figura 1. Dinamômetro montado no torno (a) e sistema de aquisição de sinais (b). Para visualização do acabamento da superfície, foi utilizado um perfilômetro ótico da Veeco®, modelo NT9100. A
rugosidade média aritmética (Ra) foi medida com auxílio de um rugosímetro Mitutoyo, modelo SJ-201 com cut-off de 0,8 mm, sendo cinco medidas transversalmente ao raio ao longo de comprimento usinado. As medidas do desgaste da ferramenta foram realizadas em um microscópio ótico com câmera integrada e software analisador de imagens. Adotou-se o critério de desgaste máximo de flanco máximo (VBmax) igual a 200 µm por se tratar de uma operação de acabamento. As imagens foram realizadas sempre após a realização de um único passe para levantar a curva de desgaste no processo e, assim que uma delas atingisse o fim de vida, o ensaio seria interrompido. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Desgaste da ferramenta
A análise dos desgastes das ferramentas revelou elevado nível e taxa de desgaste no primeiro passe. No segundo
passe há uma tendência à estabilização do desgaste, sobretudo para a ferramenta HTi10, e a partir do terceiro passe, os desgastes voltam a aumentar rapidamente, porém a uma taxa menor que no primeiro passe, sobretudo para a ferramenta GP15TF (TiN) A Figura (2) apresenta a evolução do desgaste sofrido pelas ferramentas de corte.
(b)
Dinamômetro
(a)
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0 1 2 3 4 5GP15TF (TiN) 0 123,9 139,45 162,43 179,56 202,04VP15TF (TiAlN) 0 110,96 130,3 138,23 150,84 155,75HTi 10 0 131,08 137,22 141,51 146,44 151,12
0
50
100
150
200
250
Des
gast
e [µ
m]
Passes
Figura 2. Evolução do desgaste (VBMax= 200 µm). A ferramenta revestida com TiN foi a que mais rápido se desgastou durante os testes. As três ferramentas tiveram
um comportamento inicial semelhante, com VBmax próximo a 120 µm. A ferramenta sem revestimento e aquela revestida com TiNAl tiveram praticamente o mesmo desempenho. Na Figura (3) segue as imagens das ferramentas desgastadas.
(a) – Desgaste da ferramenta revestida de TiN (GP15TF).
(b) – Desgaste da ferramenta sem revestimento (HTi10).
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(c) – Desgaste da ferramenta revestida de TiNAl (VP15TF).
Figura 3. Imagem das condições das arestas desgastadas.
O revestimento de TiNAl possui estabilidade química cerca de 45% maior do que o TiN (Schulz et al, 2000:
Yuhara, 2000), o que pode ter contribuído para o melhor desempenho da ferramenta revestida com TiNAl. Como na usinagem de titânio a geração de calor é muito alta e a dissipação é restrita pelo baixo coeficiente de condutividade térmica, as altas temperaturas potencializam a ocorrência de desgastes prematuros. A ferramenta sem revestimento não foi tão afetada, pois o metal duro possui alta estabilidade térmica e química, além de a matriz ser mais resistente ao descolamento da camada superficial, ao contrário do que acontece com os revestimentos.
Os desgastes encontrados podem ser classificados como desgaste abrasivo, porém, pode haver efeitos de difusão química contribuindo com os altos níveis de desgaste
3.2. Rugosidade e perfil
Ao longo dos passes de usinagem, a rugosidade tende a aumentar de acordo com o aumento do desgaste da
ferramenta. Na Figura (4), observa-se que o uso do revestimento de TiN proporcionou a pior rugosidade média aritmética, especialmente no último passe. Mesmo considerando a variabilidade nas medidas, cerca de 9%, a ferramenta revestida com TiNAl gerou melhor acabamento da peça.
Passe 1 Passe 2 Passe 3 Passe 4 Passe 5HTi10 0,476 0,504 0,546 0,486 0,622GP15TF (TiN) 0,536 0,442 0,49 0,572 0,734VP15TF (TiNAl) 0,416 0,394 0,54 0,452 0,554
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Rug
osid
ade
[µm
]
Figura 4. Evolução da rugosidade média aritmética. A seguir, na Fig. (5) são apresentadas imagens comparativas das superfícies usinadas obtidas por perfilometria
ótica.
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(a) – Textura e perfil da superfície usinada com ferramenta sem revestimento (HTi10).
(b) – Textura e perfil da superfície usinada com ferramenta revestida de TiN (GP15TF).
(c) – Textura e perfil da superfície usinada com ferramenta revestida com TiNAl (VP15TF).
Figura 5. Textura e perfil da superfície da peça de acordo com cada revestimento da ferramenta. Como se pode observar na Fig. (5b), o revestimento de TiN propiciou a textura de menor homogeneidade. As
marcas sinalizam indicar o fato de ter ocorrido vibração excessiva durante a usinagem, produzindo um perfil em degrau. Na seqüência de melhor textura, estão as geradas pela ferramenta revestida com TiNAl, seguida pela ferramenta sem revestimento. Encontrar uma superfície com textura avariada quando se usina titânio e suas ligas é algo explicado pelo mecanismo de formação de cavado, que se forma de forma irregular, sendo arrancados durante seu difícil cisalhamento.
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3.3. Energia específica de corte
Os valores encontrados na medição da energia específica também estão diretamente ligados com os níveis de
desgaste encontrados. A Figura 6 apresenta o comportamento da energia específica de corte ao longo dos passes no torneamento.
Passe 1 Passe 2 Passe 3 Passe 3 Passe 4HTi10 - Sem 3,39 3,47 3,42 3,57 3,55GP15TF - TiN 3,13 3,19 3,30 3,30 3,39VP15TF - TiNAl 3,91 3,65 3,72 3,75 3,87
3,10
3,25
3,40
3,55
3,70
3,85
4,00
Ene
rgia
Esp
ecífi
ca [J
/mm
3 ]
Figura 6. Evolução da energia específica de corte.
A energia especifica de corte mostra que, em alguns casos, enquanto a aresta está totalmente nova, o corte pode ser mais instável até que a aresta se acomode e desempenhe seu papel de uma forma melhor. Foi o que aconteceu com a ferramenta revestida com TiNAl. Ainda pode-se observar que os maiores valores de energia específica de corte ocorreram também com o revestimento de TiNAl. Em contrapartida a todos os resultados encontrados, piores rugosidades e desgaste da ferramenta, nesse caso a ferramenta revestida com TiN forneceu a menor energia específica. A ferramenta sem revestimento mantém seu comportamento de forma homogênea também nessa análise.
4. CONCLUSÕES
Mesmo a ferramenta revestida de TiN fornecendo a menor energia específica de corte, esse resultado não se
mostrou em concordância com aqueles que foram descritos nesse artigo. Para todas as outras análises realizadas, como rugosidade, textura e desgaste da ferramenta, o revestimento de TiN se mostrou ineficiente na usinagem da liga Ti6Al4V. Ainda na análise de energia específica de corte, pode-se concluir também que a ferramenta revestida de TiNAl desempenhou seu papel de corte com alta solicitação (maiores valores de energia específica de corte), porém com bom desempenho, já que em todas as outras análises o revestimento se mostrou melhor.
A ferramenta sem revestimento se mostrou mediana em todos os ensaios realizados. Pode-se adotar essa ferramenta como uma forma de avaliar o desempenho de outros tipos de revestimentos e condições de usinagem. Este trabalho chega à conclusão de que usinar titânio e suas ligas depende de muitas pesquisas e testes com diferentes condições de usinagem para se conhecer o melhor resultado. 5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à empresa “IMPLALIFE - Indústria de Produtos Médico-Odontológicos” pelo fornecimento do material, a Mitsubishi Carbide do Brasil pelo fornecimento dos insertos e suportes para os ensaios e a FUNDUNESP pelo apoio financeiro para apresentação deste trabalho.
6. REFERÊNCIAS Boyer, R.R., 1996, “An Overview on the Use of Titanium in the Aerospace Industry”, Materials Science and
Engineering, A 213, pp. 103-114. Hong, S.Y., Ding, Y. and Jeong, W., 2001, “Friction and Cutting Forces in Cryogenic Machining of Ti-6Al-4V”,
International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol.41, pp. 2271-2285. Machado, A.R., Abrão, A.M., Coelho, R.T. and Silva, M.B., 2009, “Teoria da Usinagem dos Materiais”, Ed. Blucher,
S.Paulo, Brazil, 371 p. Nabhani, F., 2001, “Machining of Aerospace Titanium Alloys”, Robots and Computer Integrated Manufacturing,
Vol.17, pp. 99-106. Schulz, H., Emrich, A.K., Finzer, T., Dörr, J., 2000, “Quais são e para que Servem os Revestimentos”, Máquinas e
Metais, No. 416, PP. 35-38.
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Shaw, M.C., 1984, “Metal Cutting Principles”, Oxford Science Publications, New York, EUA, 594 p. Yuhara, D.A., 2000, “Aplicação de Revestimentos PVD em Ferramentas de Corte”, Proceedings of the USINAGEM
2000 - FEIRA E CONGRESSO, S.Paulo, Brazil. Wang, S.H., 2000, “Investigation into the Grinding of Titanium Alloys”, PhD Thesis, Cranfield Institute of Technology,
School of Industrial and Manufacturing Science, London, England, 252 p.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
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© Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
EVALUATION OF CUTTING TOOL COATING PERFORMANCE WHEN
MACHINING Ti6Al4V ALLOY
Rodolfo da Silva Manera, [email protected] Alessandro Roger Rodrigues, [email protected] Hidekasu Matsumoto, [email protected]
Juno Gallego, [email protected] Reginaldo Teixeira Coelho, [email protected] Eraldo Jannone da Silva, [email protected]
1Engineering Faculty of Ilha Solteira - FEIS/UNESP, Av. Brasil Centro, 56 - Zip Code 15.385-000 - Ilha Solteira-SP - Brazil 2São Carlos Engineering School - EESC/USP, Av. Trabalhador São-carlense, 400 - Pq. Arnold Schimidt - Zip Code 13.566-590 - São Carlos-SP - Brazil Abstract: The machining of difficult-to-cut materials has an important role in the development of new geometries, substrates and coatings for cutting tools. Considered material with hard machinability, titanium and its alloys are employed in high values added sectors, such as aviation, aerospace and biomedical. Due to the poor thermal properties of titanium, the cutting tool undergoes high levels and rates of wear which affect the product surface integrity significantly and can damage its performance in use. In option to the use of expensive tools such as CBN and PCD, industries have been trying to supply several kinds of tool coatings in order to increase the machining performance of this material. This work evaluated the behavior of different tool coatings in turning of ASTM F136 Ti6Al4V alloy considering as output variables the workpiece roughness, cutting specific energy and tool wear. The results showed a rapid initial growth of tool wear, increasing the levels of roughness and specific cutting energy. The coating which provided the lowest specific energy of cutting didn’t provide the best profile of the roughness and had the worst performance on the evolution of wear. Keywords: turning of titanium, coating, surface integrity, wear, cutting specific energy.
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