Figura 1 – Formação do cavaco e imagens termográficas de um segmento de lâmina de serra

 

Entender o que acontece na cunha de corte durante o processo de arranque de cavacos representa a chave para a melhoria das ferramentas de corte. Nos diversos processos de serrar, ainda existe alto potencial de otimização, com a observação de numerosos pré-requisitos[5].

O corte no comprimento e o processo de serrar representam, para muitos produtos, o início da cadeia de produção. Especialmente quando há um grande volume de peças a serem cortadas no comprimento, a largura do canal de corte é de importância econômica fundamental. Os processos de serrar trabalham com uma variedade de dentes alternadamente em ataque. O desgaste de alguns dentes pode gerar uma sobrecarga nos dentes subsequentes, o que resulta em falha prematura e prejuízo de resultados.

O canal produzido pela serra e as características da superfície de corte são de conhecimento in-

Serra de metal duro

Figura 2 – Configuração das arestas de corte e parâmetros do processo.

dispensável para a realização de processos posteriores. Em termos econômicos, é muito importante otimizar a vida útil da ferramenta.

Existem restrições para identificar os processos de desgaste dentro do ciclo de produção, por causa da diversidade de dentes em ação e dos pontos de contato ocultos entre a ferramenta e a peça. Por esse motivo, foram realizadas experiências de desgaste com lâminas de serra de metal duro no trabalho com Inconel 718, temperado e revenido, no Instituto de Tecnologia da Usinagem (ISF) da Universidade Técnica de Dortmund (Alemanha).

As elevadas cargas mecânicas no corte de materiais metálicos de alta resistência exigiram a minimização do desgaste das ferramentas por meio de revestimento e preparação das arestas de corte. Em virtude da capacidade de arranque de cavacos, as lâminas de serra com revestimento de metal duro são bem apropriadas para cortar materiais de alta resistência[3]. Nas experiências realizadas, foram comparados os resultados de lâminas de serra com dentes de metal duro e arredondamento dirigido com os das ferramentas com dentes retificados e sem preparação.

Configuração dos ensaios

Nos ensaios com lâminas de serra deve-se levar em conta o fato de que vários dentes estão ativos simultaneamente no canal de corte. O que pode dificultar o processo é a distância variável entre os dentes (figura 2), o que pode originar a variação da quantidade de dentes em ataque. Nestes casos, fica difícil verificar a força e o desgaste sobre um único dente. Assim, as análises do processo de corte com serra podem ser referidas como a soma de todos os dentes da lâmina de serra [4].

Serra de metal duro

 

Figura 3 – Configuração microscópica das arestas de corte dos segmentos da serra

A ideia principal da abordagem experimental utilizada é rastrear o comportamento de uma lâmina de serra completa, com algumas centenas de dentes, por meio de apenas um segmento da serra. Dessa forma, fica assegurada a relação dos fenômenos de desgaste, das forças aplicadas e da formação de cavacos sobre um dente individual.

Para a representação do movimento de corte linear, foi usada uma retificadora de superfícies planas do tipo Geibel & Hotz FS 635-Z CNC, com a peça fixada na mesa da máquina. Além de manter profundidades de corte definidas, isto permite a retificação das peças dos ensaios em uma mesma fixação, o que evita falhas de fixação.

Segmentos de lâminas de serra com dentes de forma trapezoidal foram usados como ferramentas. Quatro dentes sequenciais representam, no estudo, uma estrutura ampliada da aresta principal. Os segmentos de lâminas de serra foram montados em um dispositivo na proteção do eixo-árvore principal da máquina, o que possibilitou o avanço de corte em precisão micrométrica. Os ensaios foram realizados sem aplicação de fl uido refrigerante, para facilitar a observação do processo de formação de cavacos e da carga térmica.

Para avaliar o desgaste em função dos parâmetros do processo, foi feita a medição óptica das ferramentas ao se atingir uma área cortada de At = 0,01 m2 em relação a uma lâmina de serra com um total de 480 dentes. A

 

Figura 4 – Desenvolvimento dos esforços mecânicos ao longo da superfície cortada

 

área cortada equivale ao volume de cavacos quando se considera a espessura de corte.

Otimização da aresta de corte mediante jateamento úmido

A preparação das arestas de corte estabeleceu-se na manufatura de diversos tipos de ferramentas de usinagem como uma das possibilidades para melhorar a resistência ao desgaste. Junto com a alteração da microconfiguração da aresta de corte em forma de arredondamento, consegue-se reduzir a rugosidade[1,2,7]. Nos ensaios realizados, foram aplicados dentes de serra retificados em estado de fornecimento e também com pequeno arredondamento da aresta principal de s- ≈ 15 μm. A caracterização da forma microscópica das arestas de corte das linhas de dentes é mostrada na figura 3.

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Figura 5 – Larguras de marcas de desgaste para uma superfície cortada de 0,01 m2 (vc = 20 m/min: fz variável)

 

A preparação dos dentes foi realizada por jateamento úmido. O foco do processamento era a aresta principal dos dentes de serra, inclusive a ponta de corte. Na figura 3 aparece o arredondamento médio e a rugosidade média das quatro arestas de um segmento de serra em estado inicial retificado frente as ferramentas jateadas. Os dois valores característicos são marcados pelo avanço do dente f z escolhido para os ensaios.

Enquanto a estrutura microscópica de forma e a rugosidade das arestas retifi cadas apresentam bastante variação, o estado das ferramentas arredondadas é mais uniforme. Ao lado do arredondamento das arestas preparadas, há uma redução característica da rugosidade. Nas imagens feitas pelo microscópio eletrônico de varredura podem ser reconhecidas as alterações da aresta de corte em relação ao arredondamento e rugosidade. A aresta preparada possui uma configuração mais uniforme, com superfície suavizada.

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Esforço mecânico das ferramentas

Para a caracterização do processo, no ensaio de serramento foram observados os esforços mecânicos na direção do corte e na direção do avanço. A avaliação foi feita pelo valor médio da força medida durante um corte. A figura 4 (pág. 42) apresenta a análise das duas componentes de força em função do avanço do dente e da configuração da aresta de corte ao longo da superfície cortada At.

Tanto na aplicação dos dentes não preparados quanto na dos dentes de serra arredondados, pode ser reconhecido um aumento do nível de força com o aumento da superfície cortada. Isto se deve ao aumento inicial da seção transversal quando aumenta a profundidade de corte e ao aumento do desgaste da ferramenta.

Em relação à alteração no volume de cavacos/tempo, foi verificada, ainda, que uma pequena alteração do avanço do dente exerce uma grande influência sobre as forças do processo. Ao se aumentar o avanço de fz = 10 μm para f z = 30 mm, a força de corte fc das ferramentas retificadas sobe para quase o dobro.

Quando se observa a força de corte e a força normal ao se utilizar dentes de serra arredondados, verificam-se resultados similares, mas a influência do arredondamento sobre o esforço mecânico das arestas é comparativamente baixa. O efeito do arredondamento da aresta de corte pode ser quantificado com o menor avanço do dente de f z = 10 mm com aumento da força de corte de 11% na média de toda a trajetória de corte. Com o aumento do avanço, esse nível é reduzido para 1% com f z = 30 mm. O fenômeno é explicado como efeito de entalhe, cuja influência absoluta é constante apesar da variação do avanço.

Resistência ao desgaste de segmentos de dentes

Para avaliar os parâmetros do ensaio, foi feita a avaliação do desgaste do segmento de corte após ter sido alcançada a separação total das partes serradas com superfície cortada de At = 0,01 m2. Para este fim, a largura média de desgaste (VB) foi medida opticamente em cinco pontos ao longo da aresta principal de corte. Na figura 5 (pág. 44), as larguras de desgaste obtidas são representadas como exemplo nas arestas 1 e 4 por meio do avanço do dente.

De forma geral, o desgaste dos dentes de serra arredondados é menor do que os dentes de serra não preparados. O jateamento úmido promove melhoria da estabilidade das arestas de corte e maior resistência ao desgaste. Somente com um avanço de dente de fz = 20 mm a ferramenta em estado inicial retificado apresenta nível de desgaste menor do que a ferramenta preparada. Esta última apresentou uma microrruptura do material de corte na área do canto da aresta, além de decréscimo da largura de desgaste com o aumento do avanço do dente. Esta progressão, que pode parecer contraditória, deve-se à diminuição da distância percorrida. Outras características das formas de desgaste são mostradas nas imagens do microscópio eletrônico das ferramentas com a seleção de avanço do dente de fz = 30 mm. Fica claro que na aresta de corte 1, com estado inicial retificado da ferramenta, a superfície de corte sofreu formação de crateras por causa de desgastes por aderência e por abrasão.

O extrato metálico que provoca aderência, e que fica bem visível, levou a uma separação do material de corte nesta área. Esse extrato metálico pode ser identificado na aresta de corte 4 da mesma ferramenta, na área da ponta de corte. A ferramenta preparada apresenta melhor resistência em ambas as formas de desgaste, mas mesmo nas arestas de corte 1 e 4 apresenta-se compactação a frio, sem produzir quebra do material de corte.

Observação do processo do ponto de vista térmico

O maior desafio no serramento do Inconel 718 é representado pela sua elevada resistência ao calor e sua

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Figura 6 – Desenvolvimento da temperatura com aumento da superfície cortada

 

baixa condutibilidade térmica[6]. A fi gura 6 apresenta um esquema do desenvolvimento da temperatura na área de atuação da aresta arredondada com avanço do dente selecionado de fz = 15 μm e com o aumento da superfície cortada.

Como exemplo, é apresentada uma imagem fixa de termografia durante o processo de arranque de cavacos. A avaliação da termografia é feita na área de atuação, após a saída da aresta do canal de corte. Na mesma área de medição foi verificada a máxima temperatura do lado da parte de corte. A temperatura média foi tirada de sete medições com o aumento da superfície cortada. Em virtude da acessibilidade restrita da área de medição, a avaliação da temperatura só foi feita para as duas primeiras arestas de corte.

Nesta etapa do trabalho, foi possível inferir as primeiras tendências do desenvolvimento térmico no processo de arranque de cavacos. De um lado, as termografias mostram o elevado crescimento da temperatura na área da aresta de corte, que chega a mais de 150oC. Do outro, fica claro que a temperatura verifi cada cresce com o aumento da superfície cortada.

Isto pode ser fundamentado na faixa da superfície total cortada com o aumento da profundidade de corte. A tendência é que, ao aumentar a largura do canal de corte pela aresta de corte 2, a temperatura permaneça em um nível mais elevado do que a aresta de corte 1.

Conclusão

Os ensaios realizados para serrar Inconel 718 proporcionaram melhoria da resistência ao desgaste das ferramentas de serrar, por meio da preparação das arestas de corte. Mediante o jateamento úmido, foi possível produzir microconfigurações uniformes das arestas de corte. As forças do processo observadas em diferentes arestas de corte, com avanços dos dentes correspondentes, situavam-se aproximadamente no mesmo nível.

Os resultados permitem concluir que há vantagem com a preparação das arestas de corte dentro dos parâmetros considerados. O aumento da resistência ao desgaste é reconhecido principalmente no caso do aumento dos avanços de corte. Como benefício adicional, é possível reduzir a incidência de rupturas no material de corte devidas ao fenômeno da aderência.

Referências

 

1. Biermann, D.; Weinert, K.; Terwey, I.; Denkena, B.; Haubrock, J.: Vorteile durch Verrundung – Einsatzverhalten komplexer Werkzeuge mit präparierten Schneidkanten. Werkstatt und Betrieb, 142, 11, p. 36-40, 2009.

2. Biermann, D.; Wolf, M.; Aßmuth, R.: Cutting edge preparation to enhance the performance of single lip deep hole drills. Anais do Cirp, 1, p. 172-177, 2012.

3. Diener, M.: Die Fertigung optimieren mit modernen Bandsägen. Werkstatt und Betrieb, 138, 6, p. 68-71, 2005.

4. Gleim, P.: Untersuchungen zum Bandsägen mit diamantbeschichteten Werkzeugen. Dissertação, Ed. da Universidade Kassel, Alemanha, 2006.

5. Heydt, F.: Entwicklungstrends beim Sägen von Metallen. VDI-Z Integrierte Produktion, v. 2006, 9, p. 38-40, 2006.

6. Hoffmeister, H.-W.; Wessels, T.: Hochgeschwindigkeitszerspanung von Inconel 718. VDI-Z Integrierte Produktion Special, 2, p. 35-38, 2002.

7. Terwey, I.: Steigerung der Leistungsfähigkeit von Vollhartmetallwendelbohrern durch Strahlspanen. Dissertação, Universidade Técnica de Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, Alemanha, 2011.