Rugosidade superficial com ferramentas reafiadas no fresamento de topo de VP20ISOF

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O principal objetivo do presente trabalho é analisar a rugosidade superficial produzida pelo fresamento de topo com ferramentas reafiadas e revestidas. Ferramentas de fresamento de topo de carbeto cementado revestidas com TiAlN e AlCrN foram testadas enquanto novas e após serem reafiadas durante a usinagem do aço temperado VP20ISOF, que é utilizado no setor de moldes e matrizes. Os testes foram realizados a seco e a velocidade de corte variou, mantendo as profundidades de corte radial e axial e o avanço por dente constantes. Os resultados mostraram que, em geral, o desempenho das ferramentas revestidas com AlCrN foi superior ao das revestidas com TiAlN. A rugosidade superficial das ferramentas reafiadas foi muito semelhante a das ferramentas novas e, estatisticamente, não há diferença significativa entre elas.

R. R. Moura e A. R. Machado

Data: 06/04/2017

Edição: MM Fevereiro 2017 - Ano 53 - N^o 613

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Atualmente, a indústria pensa cada vez mais em obter produtos com alta qualidade, baixo custo de produção e alta produtividade^[8]. A usinagem desempenha papel fundamental nos processos de manufatura das mais diversas áreas da engenharia mecânica. Dentre os vários processos de usinagem, o fresamento é um dos mais importantes para fins de produtividade e flexibilidade^[3].

A usinabilidade e a superfície usinada são essenciais no processo de fabricação de moldes e matrizes, representando a maior parte do custo total. Moldes para processamento de plástico têm longa vida útil – em alguns casos, mais de dez anos – e as propriedades mais importantes estão relacionadas às características de processamento, como polibilidade, usinabilidade e resposta ao tratamento térmico. O volume significativo de material removido ao produzir o molde torna a usinabilidade do aço utilizado muito importante, o que depende de fatores metalúrgicos e condições de usinagem, como tipo de ferramenta e condições de corte^[1].

Uma fração dos custos de usinagem envolve o preço da ferramenta dividido pelo número de peças que podem ser produzidas, portanto, muitos pesquisadores concentram seus trabalhos em tentar aumentar a vida útil da ferramenta e, consequentemente, agregar valor ela^[13]. A preocupação do setor de moldes e matrizes com o conceito de redução de custo não é diferente da de outras indústrias.

Para alcançar essa redução, as empresas precisam investir em ferramentas de software e hardware mais poderosas, máquinas CNC mais rápidas e rígidas, conceitos modernos de ferramentas, materiais e revestimentos de ferramentas com comportamento tribológico adequado para cada aplicação específica^[11]. O custo de uma ferramenta é calculado não apenas pelo preço de compra da pastilha indexável, mas também deve levar em consideração a quantidade de peças que pode ser produzida com ela.

O uso de ferramentas reafiadas gera redução no custo de usinagem e prolonga a utilização de uma ferramenta em um determinado processo. É algo que ganhou força em linhas de produção ao longo dos anos, especialmente com o surgimento no mercado de empresas especializadas nesse segmento, mas, em contraste, há uma escassez de literatura e trabalhos científicos que mostrem o desempenho dessas ferramentas.

O presente artigo tem por objetivo contribuir com a literatura nesta área, investigando o desempenho de ferramentas novas e reafiadas ao executar o fresamento de topo de aços VP20ISOF, no que diz respeito à qualidade da superfície produzida. Ele faz parte de uma pesquisa maior[8] que, além da rugosidade superficial, analisou outras variáveis de saída, como vida útil da ferramenta (taxa de desgaste), forças de corte e torque.

Procedimentos experimentais

Os testes de usinagem foram realizados no Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem (Lepu) da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), Minas Gerais, utilizando um centro de usinagem Romi/Bridgeport Discovery 760, CNC Siemens 810, de 15 kVA (faixa de velocidades do eixo-árvore de 10 a 10.000 rpm).

O tipo de fresamento de topo escolhido foi o fresamento discordante com profundidade de corte radial constante (ae) de 1 mm, profundidade de corte axial (ap) de 10 mm, avanço de 0,015 mm/dente e com as velocidades de corte: vc = 80 e 100 m/min. O comprimento em balanço da ferramenta foi 35 mm e os desvios radial e longitudinal na ponta da ferramenta ao girá-la foram 6 μm e 9 μm, respectivamente.

O critério de final da vida útil da ferramenta utilizado foi recomendado pelo fabricante da ferramenta, VBB = 0,2 mm. O valor foi estabelecido para assegurar que a ferramenta de fresamento pudesse ser reafiada pelo menos cinco vezes sem perder muito de seu diâmetro final, pois a reafiação é realizada no sentido radial da ferramenta.

Após alcançar o fim de suas vidas úteis, as ferramentas foram enviadas ao Centro de Reafiação de Ferramentas da OSG Sulamericana. para serem reafiadas e, em seguida, à Oerlikon Balzers para refazer o revestimento, antes de serem devolvidas ao Lepu da UFU para a realização de novos testes de usinagem.

Todos os testes foram executados a seco e as interrupções para medições de desgaste das ferramentas foram feitas entre 10 e 20 passes, dependendo da condição de corte e do revestimento utilizado na ferramenta. Todos os testes são muito longos, como mostrado na tabela 1.

O tempo apresentado na tabela é o de corte, calculado com base na velocidade de avanço e no comprimento total de corte até o fim da vida útil da ferramenta. A rugosidade superficial foi medida durante todos os testes de vida útil das ferramentas, sempre que os testes foram interrompidos para medições desgaste das ferramentas, utilizando medidor de rugosidade superficial Mitutoyo SJ-201.

O desgaste de flanco médio, VB_B, de acordo com a Norma ISO 8688-2 (1989), foi medido em toda a extensão da aresta principal de 10 mm, o que corresponde à profundidade de corte usada. Foi utilizado um microscópio óptico Olympus SZ61 para essa finalidade.

As velocidades de corte (v_c = 80 m/min e v_c = 100 m/ min) foram determinadas após alguns testes prévios e com base na recomendação do catálogo do fabricante da ferramenta^[10], com profundidade de corte radial constante (a_e) de 1 mm, profundidade de corte axial (a_p) de 10 mm e avanço por dente de 0,015 mm/dente.

Essas velocidades de corte promovem desgaste uniforme na ferramenta, como mostrado na figura 1a, reduzindo a chance de ocorrência de lascamento, algo frequentemente observado ao utilizar velocidades de corte mais baixas (figura 1b). Para a velocidade de corte mais alta (v_c = 100 m/min), o critério de fim da vida útil teve de ser alterado devido à crescente vibração, conforme o desgaste se aproximava do limite VB_B = 0,2 mm.

Em vez disso, foi adotado um número fixo de passes de corte. Um passe significa um comprimento de corte de 360 mm, conforme ilustrado na figura 2. A tabela 2 mostra o critério de fim da vida útil da ferramenta adotado para cada tipo de teste. As ferramentas revestidas com AlCrN apresentaram mais alta resistência ao desgaste e, portanto, o número de passes estipulado para elas também foi maior.

A rugosidade superficial de ferramentas revestidas com AlCrN pode ser medida até aproximadamente o 180o passe no teste tipo 1 (v c = 80 m/ min). Ultrapassar esse valor gerou a tendência de aderência sob a superfície do cavaco. A peça pode ser vista na figura 3, que detalha a evolução dessa tendência sob a superfície do cavaco.

Este fenômeno ocorreu, provavelmente, devido às altas temperaturas geradas e ao desgaste natural do revestimento da ferramenta. Na condição 2 (v_c = 100 m/min), não houve aderência de cavaco na superfície usinada. A impressão que se tem é que, conforme a ferramenta alcança um valor alto de desgaste, passa a ocorrer remoção em vez de corte, deixando rebarbas na superfície usinada. Lembrando que essa é a usinagem da superfície principal.

O comprimento de amostragem é definido pela Norma ISO 4287 (2002) como sendo o comprimento no sentido do eixo X utilizado para identificar as características das irregularidades do perfil em avaliação. O comprimento de avaliação pode conter um ou mais comprimentos de amostragem e é utilizado para determinar o perfil a ser avaliado. Normalmente, é utilizado um comprimento de avaliação equivalente a cinco vezes a amostra.

Material da peça

O material da peça usinada foi o aço ABNT P20 (a mesma designação da ASTM, SAE, AISI e WNr-DIN 1.2311), um dos aços mais utilizados para moldes de injeção de plástico. Ele foi fornecido na forma prismática, com dimensões de 190 x 250 x 360 mm³, e fabricado pela Villares Metals (Grupo Bö ller Uddeholm) com o nome comercial VP20ISOF. Trata-se de um aço Cr-Mo produzido por desgaseificação a vácuo com usinabilidade aprimorada por tratamento com cálcio na condição temperada e revenida. Sua dureza está na faixa de 30 a 34 HRC (302 a 336 HV).

A dureza da amostra utilizada na presente investigação foi de 32,7 HRC. Esse aço possui boa polibilidade, texturização e é uma variação do VP20ISO comum. A principal diferença entre eles é a ausência de níquel no VP20ISOF, o que resulta em um custo mais baixo de produção. A tabela 3 mostra a composição química do aço.

O aço VP20ISOF foi desenvolvido para ter alta usinabilidade sem perda de polibilidade, sendo produzido com baixo teor de enxofre e submetido a um tratamento com cálcio para refino secundário e modificação de inclusões de óxido. O aço tratado com cálcio proporciona usinabilidade aprimorada com controle da morfologia de inclusões duras, alumina e silicatos, o que melhora as condições tribológicas da interface cavaco-ferramenta durante a usinagem. Além disso, o desgaste da ferramenta a altas velocidades de corte é reduzido. A desoxidação com cálcio não altera as propriedades mecânicas nem afeta a resposta ao tratamento térmico e, consequentemente, a dureza^[6].

Em suas pesquisas, Milan^[7] observou que a camada protetora é formada nas interfaces cavaco-ferramenta e peça-ferramenta durante o processo de usinagem. Devido às altas temperaturas desenvolvidas nas inter faces, os óxidos de cálcio têm um feito moderado na superfície da ferramenta e permitem a redução do desgaste. O cálcio atua alterando as inclusões de óxido e, geralmente, esses novos óxidos (Al₂O₃ + CaO) são envelopados com sulfetos de manganês e/ou de cálcio, para que permaneçam no estado viscoso em altas temperaturas com resistência mais baixa ao cisalhamento^[2]. A análise microestrutural também revelou a presença de sulfetos de manganês, evidenciada por Milan^[7], por meio de uma análise que utiliza WDS, como pode ser visto na figura 4, que também tem um papel importante na interface cavaco-ferramenta.

Fresas de topo

Nos testes, foram utilizadas fresas de topo de carbeto H10, com 10% de cobalto, série Hy-Pro, com quatro dentes, fabricadas pela OSG Sulamericana. Dois tipos diferentes de revestimento por deposição física a vapor (PVD) da Oerlikon Balzers, Alcrona (Al-Cr-N) e Futura Top (Ti-Al-N), foram testados e suas características estão descritas na tabela 4.

As ferramentas cilíndricas tinham 10 mm de diâmetro, 70 mm de comprimento total e 25 mm de aresta de corte, como mostrado na figura 5. No total, foram testadas 24 ferramentas, 12 com cada revestimento.

Processo de reafiação

O processo de reafiação foi realizado no Centro de Reafiação de Ferramentas da OSG Sulamericana. O processo reproduz a geometria integral da ferramenta por meio da mesma operação de usinagem feita durante sua fabricação, com o uso de um rebolo abrasivo. Informações adicionais sobre o processo não foram fornecidas pela fabricante por motivos de segredo comercial.

Após a reafiação, as ferramentas foram enviadas para a Oerlikon Balzers, onde receberam novos revestimentos. O revestimento pode ser aplicado sobre o revestimento antigo ou removendo o atual (por corrosão química) e aplicando um novo. No presente trabalho, o revestimento foi aplicado sem a remoção do revestimento antigo. O processo de deposição física a vapor (PVD) foi utilizado mantendo-se a espessura do revestimento entre 0,002 e 0,005 mm. Cada ferramenta revestida recebeu um número de 1 a 12 para identificá-las.

Resultados

As figuras 6 e 7 mostram o valor da rugosidade superficial durante toda a vida útil das ferramentas revestidas com TiAlN na forma de gráficos que comparam a rugosidade superficial das ferramentas novas e reafiadas. É possível observar que, com o aumento da velocidade de corte, a rugosidade superficial tende a diminuir. Isso é justificado pelo aumento na temperatura de corte, que diminui a resistência ao cisalhamento material da peça, promovendo a redução das forças de usinagem e, consequentemente, melhorando o acabamento superficial.

Os valores da rugosidade superficial tendem a aumentar ao longo da vida útil da ferramenta devido ao desgaste natural da aresta de corte durante o processo de usinagem. Também foi observado que a rugosidade superficial gerada pelas ferramentas novas e reafiadas no início da vida útil é semelhante. No entanto, com o desenvolvimento do desgaste, os valores medidos de rugosidade superfi cial são diferentes para as duas ferramentas. Muitas marcas de desgaste das ferramentas reafiadas apresentaram rugosidade superficial menor do que as das ferramentas novas. Isso prova que, possivelmente, o formato do desgaste influencia esses resultados.

Medições de rugosidade superficial na operação de fresamento de topo nem sempre são consistentes com os resultados relatados na literatura sobre o processo específico de usinagem. Em alguns casos, ocorrem resultados que intrigam quem estuda esse fenômeno.

No início do processo de fresamento de topo, mesmo com as novas ferramentas, o desgaste da aresta de cor te tem a tendência de evoluir e alcançar determinadas dimensões e formas que aceleram seu próprio processo de desgaste, o que prejudica a qualidade da superfície que está sendo usinada. No entanto, em certos momentos, o desgaste pode produzir uma forma da aresta de corte que se assemelha a uma aresta raspadora, gerando, assim, super fícies mais bem acabadas. Contudo, com o aumento contínuo do desgaste, a superfície acabada tende a se deteriorar novamente^[8,9].

Para TiAlN com a velocidade de corte de 80 m/min, descobriu-se que a medição de rugosidade superficial dos parâmetros Ra, Rt e Rz das ferramentas reafiadas foi inferior no fim da vida útil em comparação com os valores no 120° passe (figura 6). Isso pode ser explicado pelo material aderente gerado no fim da vida útil em alguns testes com ferramentas reafiadas, como mostrado na figura 8.

As figuras 9 e 10 mostram os valores de rugosidade superficial durante toda a vida útil das ferramentas revestidas com AlCrN, na forma de gráficos que comparam a rugosidade superficial das ferramentas novas e reafiadas. É possível ver aqui o mesmo comportamento das ferramentas de TiAlN no que diz respeito à influência da velocidade de corte (velocidades mais altas geram acabamentos melhores) e do crescimento da rugosidade superficial com o desgaste.

Além disso, há o comportamento da rugosidade superficial gerada pelas ferramentas novas e reafiadas. No início dos testes, não há diferença entre elas, mas com o desgaste da ferramenta, há a tendência de as reafiadas gerarem melhores acabamentos, o que indica que o formato do desgaste é um fator importante na geração de superfícies.

Para analisar o comportamento das ferramentas com confiabilidade estatística, foi utilizado um projeto fatorial 2^k clássico com dois níveis (ferramentas novas e reafiadas) e três fatores (velocidade de corte, revestimento e reafiação), gerando um projeto fatorial 2³ com 95% de confiabilidade. As comparações foram feitas com valores de rugosidade superficial no início da vida útil (com o objetivo de eliminar a influência do desgaste nos parâmetros de rugosidade superficial) e no 80° passe. Gráficos de Pareto permitem analisar a influência de um ou mais parâmetros e suas interações simultaneamente na r ugosidade super ficial, como mostrado na figura 11.

As ferramentas revestidas com AlCrN apresentaram melhor acabamento superficial quando comparadas com TiAlN no 80° passe, o que pode ser explicado pelo menor desgaste gerado nas ferramentas revestidas com AlCrN, o que contribui para o revestimento ser o fator mais influente no gráfico de Pareto. Os valores de rugosidade superficial diminuem com o aumento da velocidade de corte. Na mesma velocidade de corte, houve uma tendência de aumento da rugosidade superficial ao longo da vida útil da ferramenta, o que pode ser explicado pelo aumento gradual do desgaste gerado durante a vida útil.

Um trabalho recente^[12] testou brocas de carbeto escalonadas, novas e reafiadas, sem revestimento e revestidas com TiAlN e AlCrN no processo de furação do aço 19MnCr5G (AISI 5115). Nesse caso, as ferramentas reafiadas apresentaram taxas de desgaste mais altas (em média 33,85%) em comparação com as ferramentas novas.

As ferramentas reafiadas apresentaram um aumento nos valores de rugosidade superficial R_a, R_z e R_t em comparação com as fer ramentas novas (em média 20,18%, 25,64% e 21,93%, respectivamente). As ferramentas reafiadas de TiAlN apresentaram rugosidade superficial mais alta (em média 38,53%, 66,51% e 72,57%, respectivamente), enquanto as ferramentas reafiadas de AlCrN apresentaram valores menores (em média 27,79%, 46,43% e 40,97%, respectivamente).

O trabalho realizado por Sousa ^[12] e este trabalho mostram que o principal fator de infl uência na rugosidade superfi cial foi o tipo de revestimento. A interação entre a velocidade de corte e o tipo de revestimento (mostrada nas figuras 11b, d e f) foi o segundo fator mais influente.

Conclusão

Os resultados apresentados permitem chegar às seguintes conclusões:

• Os valores de rugosidade superficial aumentaram ao longo da vida útil da ferramenta, o que é justificado pelo aumento do desgaste.
• As ferramentas com revestimento de AlCrN obtiveram melhores resultados de rugosidade superficial em comparação com TiAlN.
• Na velocidade de corte de 80 m/min, com ambos os revestimentos, as ferramentas reafiadas apresentaram rugosidade superficial melhor do que as ferramentas novas.
• Com o aumento da velocidade de corte (100 m/min), as ferramentas reafiadas revestidas com TiAlN apresentaram a pior rugosidade superficial quando comparadas com as ferramentas novas.
• As ferramentas reafiadas revestidas com AlCrN obtiveram rugosidade superficial melhor do que as ferramentas novas para os dois valores de velocidade de corte adotados.
• Uma análise estatística demonstrou que os dados de rugosidade superficial, utilizando ferramentas novas ou reafiadas, não foram significativos para uma confiabilidade de 95%. Isso confirma que as ferramentas reafiadas revestidas têm desempenho semelhante ao das ferramentas novas.

Referências

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