TECNOLOGIA DE CONTROLE NUMÉRICO - UFSCgrima.ufsc.br/.../Aula7_MateriaisDeFerramentas_v1.pdf ·...

TECNOLOGIA DE CONTROLE NUMÉRICO

MATERIAIS DE

FERRAMENTAS

MATERIAIS DE FERRAMENTAS

Propriedades que um material de ferramenta de corte

deve apresentar:

• Alta dureza;

• Tenacidade suficiente para evitar falha por fratura;

• Alta resistência ao desgaste;

• Alta resistência à compressão;

• Alta resistência ao cisalhamento;

• Boas propriedades mecânicas e térmicas a temperaturas

elevadas;

• Alta resistência ao choque térmico;

• Alta resistência ao impacto;

• Ser inerte quimicamente.


Dureza à Temperatura Ambiente

• Dureza da ferramenta deve ser à dureza da peça.

• Dureza depende essencialmente do teor de C,

exceto nos aços com elevados teores de elementos

de liga.


Resistência ao Desgaste

• Desgaste pode ocasionar falhas durante a

operação da ferramenta ruptura ou perda de

qualidade do produto final manufaturado.

• Grande número de fatores que afetam o desgaste:

• composição do aço (que determina o tipo e a

composição dos carbonetos),

• suscetibilidade do aço em endurecer por

tratamento superficial,

• resistência mecânica do aço.


Resistência ao Desgaste

• Aços altamente ligados elementos de liga influem,

devido à dureza e à distribuição dos carbonetos que

se formam.

• Outros fatores que afetam o desgaste:

• tipo de lubrificante,

• tipo de operação,

• calor gerado durante a operação.


Tenacidade

• Capacidade de absorver energia sem ruptura

desejável para ferramentas e matrizes.

• Alguns fatores que afetam a tenacidade:

• tensões internas (geradas por têmpera drástica,

por reaquecimento muito rápido dos aços

temperados, por retificação inadequada, etc.);

• encruamento;

• granulação grosseira;

• teor de elementos de liga, exigindo maiores

temperaturas de revenido e, em consequência,

contribuindo para maior tenacidade, pela

diminuição das tensões internas.


Temperabilidade

• Penetração de dureza durante a têmpera

uniformidade de características mecânicas em

seções elevadas.

• Nos aços-carbono comuns difícil alcançar alta

profundidade de endurecimento sobretudo em

seções superiores a 25 mm;

• Todavia pequenas adições de elementos de liga

resultam em durezas no núcleo.

• De forma geral aumento do teor de elementos de

liga favorece a redução da diferença de dureza entre

a superfície e o centro.


Dureza a Quente

• Propriedade de manter dureza em temperaturas

(da ordem de 600°C para AR).

• É desejável ter-se resistência ao desgaste nestas

temperaturas, mantendo simultaneamente as formas

e as dimensões das ferramentas e matrizes.

• Elementos de liga são diretamente responsáveis por

essas propriedades (W, Mo, Co, Cr, V).


Usinabilidade

• Grau de facilidade de corte do material.

• Depende do estado metalúrgico da peça, das

propriedades mecânicas, de sua composição química,

das operações anteriores efetuadas, e do eventual

encruamento.

• Depende também das condições de usinagem, das

características da ferramenta, das condições de

refrigeração, da rigidez do sistema máquina-ferramenta-

peça-dispositivos de fixação-ferramenta de corte e das

operações executadas pela ferramenta (corte contínuo

ou intermitente, condições de entrada e saída da

ferramenta).


Usinabilidade

• Aumento do teor de elementos de liga usinabilidade


Tamanho de Grão

• Geralmente é preferível um tamanho de grão

(granulação fina) microestrutura associada com

características mecânicas superiores.


Resistência ao Revenido

• É a resistência que os aços têm à perda de dureza

quando são aquecidos.

• Esta resistência deve manter-se no caso de repetições

de aquecimento.



• Aços ferramenta

• Aços rápidos

• Ligas fundidas (p.ex. Stellite – “Estelita”)

• Metal-duro

• Cerâmicas

• Cermet

• Nitreto de boro cúbico (CBN)

• Diamantes

Cronologia do

desenvolvimento

de materiais de

ferramentas


Classificação dos materiais das ferramentas


Propriedades dos materiais das ferramentas

Tabela de conversão de durezas

Penetrador e carga utilizada na

obtenção de diferentes durezas

Aumento na

produtividade causado

pelo desenvolvimento

de materiais de

ferramentas


• Aço-rápido e o Metal-duro juntos somam 90%

das aplicações na indústria moderna.

• Materiais avançados como CBN, cerâmicas e

diamantes correspondem a 10% das aplicações


• C de 0,8 a 1,5%;

• Até 1900 eram os únicos materiais disponíveis

para ferramentas

• Utilizados em baixíssimos Vc (p.ex. 5m/min)

• Comum até 200°C (limas, machos manuais)

• Com elementos de liga (V, Cr, Mo e W) até

400°C (brocas, machos, etc.)

Aços-ferramenta:


• Ainda é utilizado pelos seguintes motivos:

• baixo custo do material,

• facilidade de obtenção de gumes vivos,

• tratamento térmico simples,

• elevada dureza e resistência ao desgaste se

for bem preparado.

• No entanto aço ferramenta perde sua dureza

quando submetido a uma temperatura de

trabalho superior a 250°C.

Aços-ferramenta:


• Desenvolvido por Taylor e apresentado

publicamente em 1900 na exposição mundial de

Paris;

• Indicados para operações de baixa a média Vc (p.ex.

35m/min)

• Dureza a quente até 600°C;

• Elementos de liga: W, Cr e V (“T”)

• Em 1942, devido à escassez de W provocada pela

guerra substituído pelo Mo (“M”);

• Desvantagens: preço e difícil tratamento térmico.

Aço-rápido:


Aço-rápido:


Composição e características de alguns aços-

rápidos:


• Com temperaturas de até 500ºC dureza se

mantém acima de 50 HRC os melhores aços

rápidos têm uma dureza de 65 HRC até 650ºC

• AR usado em ferramentas de uso geral (peças

forjadas, fundidas ou sinterizadas); ferramentas

de geometria complexa.

Aço-rápido:


• Quando o aço rápido é produzido com Cobalto

aço super-rápido.

• Principais características:

• dureza a quente ,

• resistência ao desgaste

• tenacidade

Aço-rápido:


• Sucesso da ferramenta depende mais da adesão do

revestimento do que da sua espessura;

• Lascamento do revestimento tem sido a principal

causa de falha;

• Bons resultados em usinagem com corte

interrompido (p.ex. fresamento)

Aço-rápido com revestimento:


• Revestimento de TiN (1 a 3 m de espessura) por

processo PVD (Physical Vapor Deposition) abaixo de

550°C (aparência dourada)

• Dureza desgaste da face e do flanco ;

• Coeficiente de atrito Fc acabamento

superficial melhora

• TiN protege o metal base contra temperatura



• Temperaturas relativamente baixas (de 400 a 600°C)

evaporação de um metal que reage, por exemplo,

com nitrogênio cobertura de nitreto dura na

superfície da ferramenta.

• Coberturas PVD resistência ao desgaste devido

à sua dureza.

• Tensões de compressão das coberturas PVD

tenacidade e resistência contra trincas térmicas.

Processo PVD (Physical Vapor Deposition -

Deposição Física de Vapor):


• Cobertura PVD recomendada para gumes tenazes

e afiados, bem como para materiais com tendência à

abrasão.

• Aplicações todas as fresas e brocas inteiriças

(canais, roscamento e fresamento)

Processo PVD (Physical Vapor Deposition -

Deposição Física de Vapor):


• Obtido por processos de metalurgia do pó

(sinterização);

• Estrutura cristalina muito fina e uniforme;

• Menor deformação na têmpera e no revenido;

• Menos tendência a trincas e tensões internas;

• Tenacidade um pouco mais alta;

• Vida mais longa;

• Melhor aderência de revestimentos de TiN.

Aço-rápido sinterizado:


• Desenvolvidas em 1922

• Composição típica: W, Cr, Co

• Nomes comerciais: Stellite (Estelita), Rexalloy e

Chromalloy

• Resistem a temperatura entre aproximadamente

700°C a 800°C: W Mn, Mo, V, Ti e Ta

• Conservação da aptidão ao corte 2 a 3 vezes mais

do que os aços rápidos

• Tratamento térmico complexo

• Material para abrasivos, isolantes térmicos, isolantes

elétricos

Ligas Fundidas:


• Usado em cerca de 50% das aplicações devido ao

custo e à combinação da dureza à temperatura

ambiente, dureza a quente, resistência ao desgaste

e tenacidade.

• Pode ser aplicada em velocidades de corte (p.ex.

300m/min).

Metal-Duro:


• Grande vantagem do MD manter o corte da

ferramenta vivo por muito tempo, mesmo com Vc

várias vezes superior ao que suportaria o AR

• MD produtividade por manter a dureza e

assim o fio de corte, mesmo quando muito

aquecido.

Metal-Duro:


Metal-Duro:


Metal-Duro:

• Pesagem dos diferentes tipos de matéria-prima

• Mistura e moagem em proporções e tamanhos de grãos adequados

• Secagem por spray

• Identificação e estoque antes da prensagem


Metal-Duro:

• Moagem • Pó de metal duro pronto para

prensagem é colocado em baldes,

identificado e estocado


Metal-Duro:

• Prensagem


Metal-Duro:

• Sinterização • Após a sinterização pastilhas têm

grande tenacidade e resistência ao

desgaste.

• Pastilhas contraíram-se para o seu

respectivo tamanho final,

aproximadamente 50% em volume.


Metal-Duro:

• Retificação


Metal-Duro:

• Tratamento do gume

• Revestimento (CVD:

1000oC por 8 a 16

horas)


• Composto por carbonetos metálicos em forma de

minúsculas partículas (WC) são incrustadas em

metal ligante (Co).

• Componentes mais importantes:

• WC (fase ) determina a resistência ao

desgaste

• Metal ligante Co (fase ) determina a

tenacidade

Metal-Duro:


• Tamanho do grão do WC um dos parâmetros

mais importantes para ajuste da relação de

dureza/tenacidade de uma classe;

• Tamanho do grão mais fino dureza

• Quantidade e composição do ligante rico em Co

controla a tenacidade e a resistência da classe

quanto à deformação plástica.

Metal-Duro:


• Tamanho de grão do Co igual ao WC aumento

na quantidade de ligante resultará em uma classe

mais tenaz, mais propícia ao desgaste por

deformação plástica.

• Teor de ligante muito baixo pode resultar em

um material quebradiço.

Metal-Duro:


• Com o tempo, outros componentes foram

adicionados a essa composição básica (fase ).

• TiC resistência à craterização

• TaC e NbC tenacidade

• Melhoraram muito o desempenho das

ferramentas MD quanto a prevenir desgastes que

se originam nos processos de formação de

cavacos particulares a cada tipo de material.

Metal-Duro:


• Subdivisão dentro de cada classe de metal-duro (P, M,

K) depende principalmente de:

• Composição química do material da ferramenta,

incluindo qualidade e quantidade de carbonetos.

Por exemplo presença de TiC garante

resistência ao desgaste , enquanto uma

quantidade de Co garante tenacidade.

• Tamanho dos grãos de carboneto quanto mais

finos, tenacidade , aliada a uma dureza .


• Mais tarde revestimento da superfície das

pastilhas com finas camadas de fase

• Revestimento geralmente é obtido tanto por CVD

(85% dos casos), mas também pode ser por PVD

(15% dos casos).

• Camadas com 3 a 5 m de espessura

durabilidade do gume, pois a camada extrafina

e extremamente dura sobre o núcleo tenaz

permite uma mesma pastilha suportar esforços

(em desbaste) quanto velocidades

(acabamento).

Metal-Duro com revestimento:


• Gerada por reações químicas a temperaturas de

700 a 1050°C.

• Coberturas CVD resistência ao desgaste e

excelente adesão ao metal-duro.

• Primeiro metal-duro revestido CVD uma única

camada de cobertura de TiC

• Coberturas de Al2O3 e coberturas de TiN

introduzidas posteriormente.

Processo CVD (Chemical Vapor Deposition -

Deposição Química de Vapor):


• Mais recentemente coberturas de TiCN

melhoram as propriedades devido à sua habilidade

em manter a interface de metal duro intacta.

• Modernas coberturas CVD combinam TiCN, Al2O3

e TiN.

• Propriedades da cobertura melhoradas

continuamente quanto às propriedades de adesão,

tenacidade e desgaste em virtude de tratamentos

microestruturais posteriores.

Processo CVD (Chemical Vapor Deposition -

Deposição Química de Vapor):


• No início os revestimentos eram relativamente

simples,

• Depois, a tecnologia do revestimento evoluiu até

as pastilhas multirrevestidas, com camadas

sobrepostas, onde cada uma delas exerce uma

função específica a fim de conter os diferentes

processos de desgastes que se desenvolvem

durante a usinagem

Metal-Duro com revestimento:


Metal-Duro:


• Inicialmente “cerâmica” nome atribuído a

ferramentas de Al2O3.

• Tentativa de diminuir a fragilidade destas

ferramentas insertos passaram por

considerável desenvolvimento.

• Hoje 2 tipos básicos de cerâmica: à base

de Al2O3 e à base de Si3N4.

Cerâmicas:


• Principais características:

• alta dureza à quente (1600°C),

• não reação química com o aço,

• maior vida-útil da ferramenta,

• uso com alta velocidade de corte,

• não formação de gume postiço.

Cerâmicas:


• Em relação ao aço:

• 1/3 da densidade,

• alta resistência à compressão,

• muito quebradiça,

• módulo de elasticidade cerca de 2 vezes maior,

• baixa condutividade térmica,

• velocidade de 4 a 5 vezes à do MD,

• baixa deformação plástica.

Cerâmicas:


• Muito importantes na usinagem em alta

velocidade de aços e ferros fundidos (a

velocidade de corte pode ser 4 a 5 vezes maior

que as usadas em ferramentas de metal duro).

• Durante muitos anos as cerâmicas não obtiveram

sucesso comercial por exigirem máquinas-

ferramentas com altas velocidades de corte,

potências elevadas e extrema rigidez.

• Alta velocidade de corte fluxo intenso de

cavacos, tornando necessária a remoção eficiente

e a proteção do operador.

Cerâmicas:


• Deve ser utilizada na usinagem a seco para evitar

choque térmico e deve-se evitar também cortes

interrompidos.

• Não podem ser usinados os seguintes materiais:

• Alumínio reage quimicamente,

• Ligas de titânio e materiais resistentes ao calor

tendência de reagir quimicamente devido às

altas temperaturas,

• Magnésio, berílio e zircônio inflamam na

temperatura de trabalho da cerâmica.

Cerâmicas:


• Possibilidade de se utilizar baixos avanços (na

ordem de 0,1 mm/volta) e altas velocidades de

corte (na ordem de 1000 m/min) permite

excelente acabamento (semelhante à retificação).

• Cerâmicas de corte são classificadas segundo o

seu teor de óxidos de alumínio em cerâmica

branca e cerâmica mista.

Cerâmicas:


Cerâmica branca e cerâmica mista:


• Óxido de alumínio superior a 90% cor branca

• Componente principal Coríndon (Al2O3)

forma estável da alumina.

• Material de partida é um pó finíssimo (1 a 10 µm)

prensagem a frio da matéria-prima que pode

ser Al2O3 com 99,98% de pureza, ou então, uma

composição de 90% a 99% de coríndon e o

restante de ZrO2 (inibição de trincas)

• Qualidade da ferramenta cerâmica óxida depende

da sua pequena porosidade associada a

pequenos tamanhos de grãos.

Cerâmica branca:


• Reforçadas com a adição de TiC ou Ti(C,N)

aumenta a tenacidade e a condutividade térmica.

Cerâmica mista:


• Whiskers de carboneto de silício (SiCw) para

aumentar significativamente a tenacidade, e

permitir o uso de fluido de corte.

• Usinagem de ligas de Níquel.

• torneamento de aços endurecidos com superfícies

interrompidas

• Quando inalado, pode causar câncer.

Cerâmica reforçada com whiskers:


Cerâmica reforçada com whiskers:


• Cristais alongados formam um material com

tenacidade

• Classes usadas com sucesso na usinagem de

Ferro Fundido, mas sua estabilidade química

limita o seu uso para outros materiais.

• SiAlON combina a resistência de Si3N4 com

outros elementos (Y2O3, MgO) visando

proporcionar maior estabilidade química ideal

para usinar ligas resistentes ao calor (HRSA –

Heat Resistant Super Alloys – Níquel ou Cobalto).

Cerâmica Si3N4:

Materiais Cerâmicos:


• Composto formado por cerâmica e metal.

• Quase tão antigo quanto o MD à base de W/Co

• Cermet é à base de Ti.

• Durante a década de 1930 primeiras ligas

(Ti/Ni) muito frágeis e pouco resistentes à

deformação plástica.

• Durante os anos 1940 e 1950 Cermets

avançaram devagar com a adição de materiais,

provavelmente tentativa e erro, e com o

aprimoramento da tecnologia de sinterização.

Cermet:


• Baixa tendência à formação de gume postiço, boa

resistência à corrosão, boa resistência ao

desgaste, resistência à temperatura elevada e alta

estabilidade química.

• Ao longo da história da usinagem, os cermets

ganharam fama de suscetíveis à repentina e

imprevisível falha das pastilhas não é fácil

compreender a sua aplicação.

Cermet:


• Recomendações dos fornecedores são

frequentemente contraditórias:

• alguns especificam o uso somente se os

fatores no torneamento de acabamento

estiverem exatamente corretos,

• outros indicam uma área ampla de utilização,

incluindo o exigente semi-acabamento.

• Cermets amplamente usados no fresamento de

materiais duros com êxito.

Cermet:


• Introduzido nos anos 1950 e mais largamente nos

anos 1980, devido à exigência de alta estabilidade

e potência da máquina-ferramenta.

• Mais estáveis que o diamante, especialmente

contra a oxidação,

• dureza ,

• resistência à quente ,

• resistência ao desgaste

• qualidade superficial da peça usinada.

CBN:


• No entanto:

• Caros

• Relativamente quebradiços

• força de corte devido à necessidade de

geometria negativa, alta fricção durante a

usinagem, e resistência do material da peça.

CBN:


• Recomendado para:

• usinagem de aços duros, desbaste e acabamento,

• cortes severos e interrompidos,

• peças fundidas e forjadas,

• peças de ferro fundido,

• usinagem de aços forjados,

• componentes com superfície endurecida,

• ligas de alta resistência a quente e materiais duros

(98HRC).

CBN:


• Cristais de boro cúbico ligados por cerâmica ou

ligante metálico através de altas pressões e

temperaturas partículas orientadas a esmo

conferem uma densa estrutura policristalina

similar à do diamante sintético.

• Propriedades do CBN podem ser alteradas

através do tamanho do grão, teor e tipo de ligante

(p.ex. à base de Ti-Si ou Ti-Al).

CBN:


CBN:


• Monocristalino materiais que apresentam maior

dureza, empregados normalmente em usinagem

de ligas de metais, latão, bronze, borracha, vidro,

plástico, etc.

• Parâmetros de corte velocidade entre

100m/min e 3.000 m/min, avanço de 0,002mm a

0,06 mm e profundidade de 0,01mm a 1,0 mm.

Diamante:


• Não podem ser usadas na usinagem de materiais

ferrosos devido à afinidade do carbono com o

ferro, nem em processos com temperaturas acima

de 900°C devido à grafitização do diamante.

Diamante:


• Diamantes monocristalinos aplicados na

usinagem fina, pois é o único material para

ferramenta de corte que permite graus de afiação

do gume até quase o nível de um raio atômico de

carbono.

• Altamente recomendado para usinagem onde

exige-se ferramentas com alta

dureza, como furação de poços

de petróleo.

Diamante:


• Diamante policristalino (PCD) material sintético

obtido em condições de extrema pressão e

temperatura, com propriedades semelhantes ao

encontrado no diamante natural, porém mais

homogêneo.

• Brazado a um substrato de MD.

• Usados na usinagem de materiais não ferrosos e

sintéticos.

Diamante:


• Pode usinar em qualquer direção, mas não

permite polimento de gumes extremamente

afiados como o diamante natural

Diamante:


• Video 1 – Ferramentas de corte de torneamento

• Video 2 - Torneamento de aço endurecido com ferramenta cerâmica

• Video 3 – Operações de furação, rosqueamento, alargamento e

mandrilamento

• Video 4 – Formação de cavaco na furação

• Video 5 – Colisão no torneamento

• Video 6 – Outra colisão no torneamento

• Video 7 – Fresamento com fluido de corte diretamente no gume

• Video 8 – Colisão no fresamento

• Video 9 – Outra colisão no fresamento

• Video 10 – Operações de rosqueamento

• Video 11 – Fabricação de uma roda de trem

VideosUsinagem/Videos2/1.3 Machine Tool Basics -- Lathe Cutting Tools -- SMITHY GRANITE 3-in-1 (1).mp4




VideosUsinagem/Videos2/Turning Hardened Steel with Ceramic Insert.mp4




VideosUsinagem/Videos2/Crash Course in Milling Chapter 9 - Drilling, Tapping, and Boring, by Glacern Machine Tools.mp4





VideosUsinagem/Videos2/Tips film Analyzing chip formation - Sandvik Coromant.mp4




VideosUsinagem/Videos2/CNC lathe hand programming crash.mp4




VideosUsinagem/Videos2/CNC Lathe oops (crash) Sparky end to a Cermet insert.mp4.mp4




VideosUsinagem/Videos2/Kennametal's Beyond Blast.mp4




VideosUsinagem/Videos2/CNC machine crash.mp4




VideosUsinagem/Videos2/CNC Machine Tool Endmill Crash Oops (wait for it).mp4




VideosUsinagem/Videos2/Mitsubishi Materials MMT Series Threading Tools.mp4




VideosUsinagem/Videos2/Train wheel manufacturing - Sandvik Coromant.mp4




TECNOLOGIA DE CONTROLE NUMÉRICO - UFSCgrima.ufsc.br/.../Aula7_MateriaisDeFerramentas_v1.pdf ·...

Documents

Transcript of TECNOLOGIA DE CONTROLE NUMÉRICO - UFSCgrima.ufsc.br/.../Aula7_MateriaisDeFerramentas_v1.pdf ·...