Desempenho de ferramentas em aço rápido na usinagem do aço ABNT 1020, com resfriamento por LN2

A técnica usada para este trabalho foi o resfriamento criogênico direto por spray, em que o LN2 é pulverizado diretamente sobre a ferramenta. O objetivo principal foi manter a temperatura de corte abaixo da temperatura de amolecimento do aço rápido, melhorando o seu desempenho em velocidades superiores às que normalmente são praticadas no corte a seco.


A. C. A. Melo e R. F. Oliveira

Data: 27/10/2016

Edição: MM Outubro 2016 - Ano - 52 No 609

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Figura 1 – Corpo de prova de aço ABNT 1020 (a); ferramenta de corte usada nos testes (b)

Até meados da década de 1860, as ferramentas de corte usadas em processos de usinagem consistiam essencialmente de ferro ligado, com 0,8% a 2% de carbono, além de outros elementos como manganês, silício, enxofre e fósforo. Tais ferramentas apresentavam uma baixa dureza a altas temperaturas, o que limitava a sua aplicação na usinagem do aço com velocidades de corte relativamente baixas (até 5 m/min). Além disso, também requeriam um tratamento térmico de têmpera, com aquecimento entre 750°C e 835oC, seguido por resfriamento em água, garantindo-lhe dureza máxima de 950 HV e normalmente resultando no aparecimento de trinca[11,12].

Em 1870, o britânico Robert Mushet apresentou um aço, com aproximadamente 2% de carbono, 1,6% de manganês, 5,5% de tungstênio e 0,4% de cromo, que possuía uma notável capacidade de endurecer ao ar. Isso eliminava a necessidade de resfriamento em água, o que normalmente resultava em problemas de formação de trincas. Além disso, o aço de Mushet era capaz de manter sua dureza a temperaturas mais elevadas do que os da geração anterior, podendo ser aplicado em usinagens com velocidades razoavelmente superiores; em torno de 8 m/min. Sendo assim, este aço foi usado como ferramenta de corte até o início do século XX[11].

Figura 1 – Corpo de prova de aço ABNT 1020 (a); ferramenta de corte usada nos testes (b)

Em 1901, F. W. Taylor e M. White apresentaram um aço com estabilidade estrutural superior, que permitia a velocidade de corte em torno de 19 m/min, duas vezes acima da velocidade conquistada pelo aço desenvolvido por Mushet. Isso lhe rendeu a denominação de High Speed Steel (HSS), ou seja, aço rápido. O segredo do aço rápido não estava somente na sua composição química, mas também em seu tratamento térmico[11].

Em 1906, por meio de ensaios minuciosos, Taylor e White chegaram a uma composição química e tratamento térmico considerados ótimos para as ferramentas de aço rápido, sendo 0,67% de carbono, 18,91% de tungstênio, 5,47% de cromo, 0,11% de manganês, 0,29% de vanádio e o restante de ferro. Descobriram ainda que se esse aço fosse aquecido rapidamente, aproximadamente entre 1.250°C e 1.290oC, resfriado em banho de chumbo até 620oC, depois resfriado até a temperatura ambiente, seguido por um tratamento de revenimento logo abaixo de 600oC, ele resultava em um material de ferramenta de corte capaz de usinar aços a velocidades quatro vezes acima das praticadas com o aço de Mushet e seis vezes a mais que as apresentadas com as ferramentas de aço-carbono[12].

Essa característica de elevada dureza a quente do aço rápido se deve, entre outros fatores, à presença de carbonetos secundários dispersos na matriz martensítica que se formam durante o seu revenimento[12].

Apesar de ter surgido no início do século XX, o aço rápido continua a ser um dos principais materiais de ferramenta de corte usados na indústria. Porém, o principal fator que limita a sua velocidade de corte é a baixa dureza a quente. Quando a temperatura de corte atinge valores superiores a 600 o C, o aço rápido sofre um amolecimento considerável, o que leva ao colapso da aresta cortante por deformação plástica[12].

Figura 3 – Válvulas de alívio, manômetro e aspersor do botijão de armazenamento de LN2

Tem sido possível aumentar a vida das ferramentas de aço rápido pela aplicação de revestimentos duros, tais como TiN, TiAlN, AlCrN, entre outros. Porém, com a deterioração do revestimento, o substrato de aço rápido fica exposto, conduzindo rapidamente a um colapso. Uma reafiação posterior, como pode ser feita em brocas e fresas, por exemplo, implica na necessidade de um novo processo de revestimento.

Criar um ambiente na zona de corte que proporcionasse a remoção do calor gerado no processo seria uma alternativa, evitando o desenvolvimento de temperaturas tão altas quanto aquelas que promovem o amolecimento do aço rápido. Assim, o uso de fluidos criogênicos, tais como o LN2 e o LCO 2 (dióxido de carbono líquido), pode ser uma alternativa interessante no sentido de dar uma sobrevida para este importante material, além de se apresentar como uma prática positiva na busca por um ambiente produtivo sustentável[5,9].

O uso de fluidos criogênicos em usinagem é uma prática que vem apresentando bons resultados no corte de diversos materiais[10]. O método de aplicação mais difundido é o resfriamento criogênico direto, em que o fluido é aplicado diretamente na região de corte, reduzindo as temperaturas desenvolvidas durante a usinagem e, consequentemente, aumentando a vida útil da ferramenta[13].

Entre os fluidos criogênicos disponíveis, o LN2 tem sido o mais utilizado, devido à sua inércia química, alta capacidade de remoção de calor, por ser ambientalmente correto (78% do ar que respiramos é composto por N2), incolor e inodoro, não tóxico e por ser mais leve do que o ar[7,13].

Este artigo apresenta os resultados de um estudo preliminar realizado no Laboratório de Manufatura da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), sobre a aplicação de LN2 na usinagem do aço ABNT 1020, com ferramentas de aço rápido. Foram feitos testes de faceamento rápido, com e sem a aplicação de LN2, nos quais foram monitorados o desgaste de flanco, a rugosidade média da superfície usinada e o comprimento de avanço até a falha da ferramenta.

A ideia é continuar as investigações e otimizar a técnica para aplicações em todos os processos convencionais de usinagem de forma eficiente, econômica e sustentável.

Materiais e métodos

O estudo constou basicamente da realização de ensaios de faceamento em um corpo de prova de aço ABNT 1020, com ferramentas de aço rápido. Os testes foram executados a seco e com aplicação de LN2 nas superfícies de saída e de folga das ferramentas de corte. Durante os testes, levantou-se o perfi l da superfície usinada e mediu-se sua rugosidade média (Ra), além do desgaste de flanco da ferramenta de corte.

Os parâmetros rotação (n), avanço (f) e profundidade de corte (ap) foram mantidos constantes e iguais; a 1.000 rpm, 0,121 mm/rot. e 0,8 mm, respectivamente. Os testes ocorreram no Laboratório de Manufatura da UFRN em um torno convencional Imor, série MIN V 200X500.

Figura 4 Esquema de funcionamento do botijão de LN2(a); rack com manifold dotado de três válvulas de agulhas para distribuição de LN2 na região de corte(b)

A figura 1a (pág. 35) mostra o corpo de prova com dimensões de 150 x 100 mm de comprimento, montado no torno. Observa-se que ele possui um furo central de 16 mm de diâmetro, feito com a finalidade de se ajustar a penetração da ferramenta em relação à peça durante os testes de faceamento rápido.

As fer ramentas de cor te usadas foram barras quadradas de aço rápido com dureza de 65 HRC, afiadas nas duas extremidades com ângulo de saída γ° = 15o, ângulo de folga principal α° = 12°, ângulo de folga secundário α’° = 7°, ângulo de inclinação λs = -6°, ângulo de posição principal λs = 90° e ângulo de posição secundário χ’r = 8°. A figura 1b (pág. 35) mostra uma das ferramentas afiada com suas respectivas superfícies de saída e de folga.

Para a aplicação de LN2 na região de corte (nas superfícies de saída e de folga da ferramenta) foi montado um sistema que é mostrado na figura 2 (pág. 35), onde é possível identificar os seguintes componentes:

O botijão da Sempercrio SC 30 I, com capacidade de armazenar até 30 L de LN2, é equipado com um aspersor (figura 3, pág. 36), dotado de duas válvulas de alívio reguladas para abrir com 1,8 bar e com um manômetro que indica a pressão interna no reservatório.

A figura 4a (pág. 37) mostra um esquema de funcionamento do sistema de aplicação de LN2. Este consiste em fazer o ar comprimido proveniente do compressor entrar pelo aspersor e aumentar a pressão no interior do botijão. Isso faz com que o LN2 seja empurrado por meio do “pescador” e seja conduzido pelo tubo flexível de aço inoxidável até o rack e então para a ferramenta de corte.

Figura 5 – Parte inferior do rack, mostrando a conexão dos tubos de cobre com o porta-ferramentas

Figura 6 – Posicionamento dos tubos de cobre no porta-ferramentas (a); posicionamento dos bicos em relação à ferramenta de corte (b); teste de faceamento com aplicação de LN2 na superfície de saída da ferramenta de corte (c)

Para a montagem do rack no torno, foi necessário remover a torre porta-ferramentas, conforme pode ser visto na figura 4b (pág. 38). Observa-se ainda que, sobre o rack, foi montado um manifold com três válvulas de agulha, para distribuir e regular o fluxo de LN2 que segue para a ferramenta de corte. A figura 5 (pág. 38) mostra a parte inferior do rack, onde nota-se que o porta-ferramenta é posicionado com as conexões e tubos de cobre de 3,1 mm para a distribuição de LN2.

O porta-ferramentas foi furado em três posições para a passagem das tubulações de cobre, conforme mostrado na fi gura 6a (pág. 38). O objetivo inicial foi providenciar bicos de descarga de LN2 nas superfícies principais de saída e de folga da ferramenta de corte e na face da peça (antes do seu contato com a ferramenta de corte). Porém, devido ao emaranhamento de cavacos no tubo de cobre nesta última posição, ele foi eliminado, conforme mostrado na figura 6b.

A figura 6c mostra um dos testes de faceamento realizados com aplicação de LN2 na superfície de saída da ferramenta de corte. O equipamento usado para comprimir o ar e pressurizar o botijão de LN2 foi um compressor Schulz Air Plus CSA 8,3/25, com 2 HP de potência, reservatório de 25 L e pressões de operação de até 8,3 bar. Para os testes, a pressão de saída foi regulada a 2 bar (no compressor). A pressão dentro do botijão de LN2 foi mantida em 1,8 bar.

O LN2 usado na pesquisa foi adquirido no Laboratório de Criogenia do Departamento de Física Teórica e Experimental da UFRN. Nos testes de faceamento, levando-se em consideração as dimensões do corpo de prova (figura 1a, pág. 35), as velocidades de corte mínima e máxima foram de Vcmin = 50 m/min e Vcmáx = 471 m/min, respectivamente.

As condições de teste foram as seguintes:

Nos ensaios com LN2 , as válvulas de regulagem de fluxo foram mantidas totalmente abertas. Todos os testes foram repetidos duas vezes, finalizado o faceamento com uma determinada condição: a rugosidade média (Ra) da superfície usinada era medida sobre quatro linhas espaçadas de 90° entre si, a partir de um círculo descrito na face da peça, a 30 mm do centro, conforme mostrado na figura 7 (pág. 38). As setas indicam as direções e sentidos de medição.

Figura 7 – Região, direções e sentidos de medição da rugosidade. No detalhe, o posicionamento do rugosímetro em relação ao corpo de prova

Figura 8 Degrau na face da peça usinada (a); Levantamento do perfil da superfície usinada com relógio comparador(b)

O rugosímetro usado foi um Taylor Hobson Sur tronic 3, com resolução de 0,001 μm, no qual foi ajustado um cut-off de 0,8 mm. Um detalhe na figura 7 mostra o posicionamento do rugosímetro em relação ao corpo de prova.

Com a rotação constante, a velocidade de corte aumenta do centro para a periferia, na qual:

Vc = (π*d*n)/1000 (1)

Onde: Vc é a velocidade de corte em m/min, d é o diâmetro em mm e n é a rotação em rpm. Desta forma, neste tipo de teste de faceamento, normalmente, haverá uma posição diametral em que a ponta da ferramenta sofrerá uma falha catastrófica devido, principalmente, ao aumento da temperatura de corte.

Figura 9 – Perfil da face usinada no primeiro ensaio na condição a seco (a); medição do desgaste da ferramenta de corte (b)

Na peça, isto gera um degrau na face usinada que pode ser visualmente identificado e detectado com o uso de um apalpador de um relógio comparador. A figura 8a mostra um degrau como este obtido durante os testes. Para identificar melhor a posição de início deste degrau no corpo de prova usinado, um relógio comparador com resolução de 0,001 mm foi usado para “varrer” a superfície da peça ao longo de seu raio, conforme mostrado na figura 8b.

O levantamento do perfil da face usinada começava a partir de um ponto localizado a 3 mm da extremidade do furo central com 16 mm. Neste ponto, o relógio comparador era zerado e “varria-se” a superfície em direção à periferia da peça, registrando os valores indicados pelo relógio comparador a cada 1 mm.

Para efeito de avaliação, foi considerado o ponto de falha da ferramenta de corte e a região sobre a peça onde a altura h indicada pelo relógio comparador era maior ou igual a 0,1 mm.

A figura 9a (pág. 40) mostra o gráfico obtido a partir do levantamento do perfil usinado para o primeiro ensaio na condição a seco. O ponto de falha da ferramenta pode ser facilmente identificado.

Figura 10 – Desgaste de flanco observado na ferramenta de corte após o primeiro ensaio na condição SF

Ao final de todos os testes, as ferramentas de corte foram levadas até um microscópio digital USB Smileoptical BW1008 para a medição do desgaste de flanco. A figura 9b mostra o sistema montado para a medição do desgaste.

É importante salientar que, durante as medições, a superfície de folga foi posicionada perpendicularmente ao eixo do microscópio (eixo da câmera).

A figura 10 mostra o desgaste de flanco obtido na ferramenta após o primeiro ensaio na condição SF. O padrão do desgaste também é mostrado nessa mesma figura.

Resultados e discussões

A tabela 1 (pág. 40) mostra um resumo dos pontos de falha encontrados para cada condição de corte e repetição do ensaio, além de suas médias amostrais (χ) e os desvios-padrão amostrais (s).

Por meio da análise dos dados da tabela 1, considerando apenas as médias amostrais, percebe-se uma tendência de aumento do ponto de falha (comprimento de avanço usinado até h ≥ 0,1 mm), quando se usina com a aplicação de LN2 nas três condições (SS, SF e SS/SF), em comparação com a usinagem a seco. Percentualmente, o comprimento de avanço foi maior do que na condição a seco em 19,8% para a condição SS/SF; 16,7% para a condição SF e 10,4% para a condição SS. A aplicação de LN2 tendeu a melhorar o desempenho das ferramentas de aço rápido testadas. Essa melhoria foi mais pronunciada quando da aplicação de LN2 nas superfícies de folga e de saída, simultaneamente.

A figura 11 mostra os resultados da tabela 1 em forma de gráfico, com cada ponto representando a média amostral com seu respectivo desvio-padrão.

Observa-se no gráfico uma tendência de aumento do comprimento usinado com a aplicação de LN2. Nota-se uma diferença significativa entre as condições SF e SS/SF quando comparadas com a condição a seco. Resultado semelhante foi obtido em testes de usinagem de ligas de NiTi[6].

Figura 11 Ponto de falha obtido para cada condição de corte testada

Figura 12 – Rugosidade média obtida para cada condição de corte

A tabela 2 (pág. 41) mostra os valores de rugosidade média (Ra) obtidos na superfície usinada para as diversas condições de corte testadas, enquanto a figura 12 (pág. 42) mostra estes valores em forma de gráfico.

Figura 13 Desgaste de flanco obtido para cada condição de corte

Os valores elevados de Ra são explicados pela geometria da ferramenta de corte, que apresenta uma ponta sem raio. Obser va-se uma leve tendência de queda no valor da rugosidade média quando se compara a condição a seco com as condições SS e SS/SF. A condição SF apresentou uma grande variância, tor nando a comparação com as outras condições pouco conclusiva.

Já foi observado por alguns pesquisadores que a usinagem criogênica de aços convencionais conduz a uma qualidade superficial superior àquela obtida na usinagem a seco[1,2,3,4,8].

A tabela 3 mostra os valores do desgaste de flanco medidos nas ferramentas de corte para cada condição de usinagem, ao passo que a figura 13 apresenta um gráfico com estes valores.

Observa-se que não existe diferença significativa entre os valores de desgaste medidos nas quatro condições de corte. Há uma leve tendência de redução quando se compara a condição a seco com as condições SF e SS/SF.

A pouca diferença observada em relação aos desgastes de flanco medidos já era esperada. Após a falha da ferramenta, independentemente da condição de corte, a ferramenta perde material da sua ponta num valor proporcional à profundidade de corte usada.

Figura 14 Desgastes das ferramentas de corte testadas nas quadro condições de corte

A partir deste ponto, praticamente nada de material é removido da peça. Como todos os testes foram realizados com a mesma profundidade de corte e ao longo de todo raio da peça, conclui-se que os desgastes devem ter mais ou menos a mesma intensidade, independentemente da condição de usinagem. Isto pode ser confirmado pela análise visual dos desgastes das diversas ferramentas testadas mostrados na figura 14.

Conclusão

Considerando os valores médios do comprimento usinado, observa-se uma melhoria em relação à condição a seco de 19,8% para a condição SS/SF; 16,7% para SF e 10,4% para SS. A aplicação de LN2 tendeu a melhorar o desempenho das ferramentas de aço rápido testadas. Essa melhora foi mais pronunciada quando da aplicação de LN2 nas superfícies de folga e de saída, simultaneamente.

Nota-se ainda que a rugosidade média (Ra) tendeu a cair com a aplicação de LN2, em comparação com a condição a seco. Este comportamento só não pode ser conclusivo quando se compara a condição a seco com a condição SF, pois os valores amostrais desta última apresentaram grande dispersão. Observa-se uma diferença significativa na comparação da condição a seco (Seco) com as condições SS e SS/SF, e da condição SS com a SS/SF.

Comparando-se os desgastes de flanco das ferramentas testadas nas diversas condições, devido ao método usado na realização dos testes (permitir a usinagem da ferramenta ao longo de todo o raio da peça), percebe-se pouca diferença, com uma leve vantagem (menor desgaste), para as ferramentas testadas com LN2.

Referências

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