DEMEC/UFRGS ENG03343 PROCESSOS DE FABRICAO POR USINAGEM

PARTE 8 DESGASTE E AVARIAS DE FERRAMENTAS DE CORTE

Professor Heraldo Amorim Porto Alegre, junho de 2003

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS 1. Falha e Desgaste de Ferramentas de Corte Existem, num processo de usinagem, duas causas fortes o suficiente para a substituio da ferramenta de corte, que so: Avarias ou falhas catastrficas, como lascamento, trincamento ou

at mesmo quebra da ferramenta; Desgaste excessivo, de modo que as condies de corte ou a

qualidade da pea usinada sejam comprometidos. Na prtica, as avarias e falhas catastrficas costumam ocorrer em processos de corte interrompido, como o fresamento, devido aos choques trmicos e mecnicos envolvidos nestes processos. J nos processos de corte contnuo, como o torneamento, sua ocorrncia mais rara, exceto para condies de corte que excedam as recomendadas, ou que a ferramenta possua algum defeito de fabricao, o que torna seu estudo dispensvel ao escopo deste texto. Ao contrrio das avarias e falhas catastrficas, o desgaste de ferramenta observado tanto nos processos de corte contnuo quanto nos de corte interrompido, podendo se desenvolver de acordo com vrios mecanismos diferentes.

1.1 Tipos de avaria de ferramenta Os tipos mais comuns de avarias de ferramenta de corte so: deformao plstica da aresta de corte, lascamento, trincas e quebra da ferramenta. A deformao plstica da aresta de corte ou da ponta da ferramenta ocorre geralmente em condies de usinagem que apresentem alta presso e temperatura aplicadas na ponta da ferramenta, que assume a forma mostrada na Figura 1. Estas deformaes dificultam o controle do cavaco e deterioram o acabamento superficial da pea, podendo causar a quebra da ferramenta. Este tipo de avaria ocorre principalmente na usinagem com ao rpido, e pode ser evitado atravs do uso de ferramentas com maior dureza a quente, com geometria mais adequada ou atravs da reduo da velocidade de corte.

Figura 1 Deformao plstica da aresta de corte. 1

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS O lascamento (Figura 2) a retirada, de uma s vez, de uma grande poro de material da ferramenta. Este tipo de avaria ocorre principalmente em ferramentas com material frgil ou com baixa seo resistente (ngulo de cunha), prejudicando o acabamento superficial da pea e causando, em casos extremos, a quebra da ferramenta.

Figura 2 Lascamento da aresta de corte de uma ferramenta.

Trincas so geralmente causadas pela variao do carregamento, e podem ser de origem trmica (Figura 3 (a)) e mecnica (Figura 3 (b)). Devido sua associao com carregamentos variveis, ocorrem predominantemente em processos de corte interrompido, cujo exemplo clssico o fresamento. Estas avarias podem ser evitadas atravs da escolha de uma ferramenta mais tenaz, com menor avano por dente e corretamente posicionada em relao pea.

Figura 3 Trincas (a) de origem trmica e (b) mecnica. A quebra da ferramenta (Figura 4) uma avaria que pode estar associada a todos o tipos de desgaste e avaria de ferramentas de corte. Em alguns casos, porm, a quebra da ferramenta pode ocorrer inesperadamente devido dureza excessiva da ferramenta, carregamento excessivo sobre esta, geometria da ferramenta inadequada ou ainda inmeros outros motivos. A quebra da ferramenta pode causar, alm de danos na pastilha, avarias no porta ferramentas ou na prpria pea.

2

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS

Figura 4 Quebra da ferramenta. 1.2 Tipos de desgaste de ferramenta Existem trs tipos principais de desgaste de ferramenta: desgaste de flanco, desgaste de cratera e desgaste de entalhe. O desgaste de flanco (Figura 5) ocorre nas superfcies de folga, atingindo tanto a aresta principal de corte como a secundria, ou ambas. Quando atinge a aresta principal de corte, resulta num aumento das temperaturas e foras envolvidas no corte, podendo causar vibraes tanto na ferramenta como na pea. J na aresta secundria de corte, da qual dependem o controle dimensional e a qualidade do acabamento superficial da pea, um desgaste excessivo resulta numa superfcie mal acabada e peas fora da especificao. Em condies normais de usinagem, o desgaste de flanco o tipo de falha que apresenta o maior risco de danos pea e que exige mais potncia de corte, motivo pelo qual costuma ser o mais usado na determinao de critrios de fim de vida de ferramenta.

Figura 5 Representao esquemtica do desgaste de flanco. 3

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS O desgaste de cratera (Figura 6) ocorre na superfcie de sada da ferramenta, onde se localiza, durante o corte, a zona de deslizamento do cavaco. Este tipo de desgaste resulta de uma combinao entre os mecanismos de desgaste por abraso e por difuso, e ocorre principalmente a altas velocidades de corte, devido s altas temperaturas geradas, o que favorece o mecanismo de desgaste por difuso. Devido reduo da resistncia a abraso causada pela difuso, favorecido o desgaste abrasivo, sendo ento a forma da cratera resultante da distribuio de tenses na superfcie de sada da ferramenta. O desgaste assume ento a forma de uma cratera alongada com as extremidades arredondadas, paralela aresta de corte.

Figura 6 Representao esquemtica do desgaste de cratera. comum o desgaste de flanco ser mais pronunciado na regio onde ocorre o contato com a superfcie externa da pea do que nas demais regies, o que pode ocorrer devido a vrias causas, como corte de uma camada de material endurecido pelo passe anterior da ferramenta ou ainda oxidado devido s altas temperaturas, exposio ao ar ou ao fluido de corte. Este tipo de desgaste chamado desgaste de entalhe (Figura 7). Apesar de nem sempre afetar o processo de corte, o desgaste de entalhe pode ser bastante prejudicial, pois o entalhe costuma ser relativamente profundo, constituindo uma regio de concentrao de tenses, que pode levar quebra da ferramenta.

4

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS

Figura 7 Representao esquemtica do desgaste de entalhe.

1.3 Critrios de fim de vida de ferramenta segundo a norma ISO 3685 /1993 Devido ao carter progressivo do desgaste de ferramentas de corte, necessrio, para evitar danos causados por falhas catastrficas e gastos excessivos por operao inadequada da mquina operatriz, que se defina at onde uma ferramenta de corte pode ser til, e quando esta comea a perder suas caractersticas operacionais, ou seja, quando a ferramenta dever ser reafiada ou substituda. A forma mais usual de determinar este ponto dada pela norma ISO 3685 (1993). Esta norma estabelece ensaios de usinabilidade para determinar o perodo de tempo no qual uma ferramenta de corte pode trabalhar, at que seja necessria a sua substituio. Este perodo, denominado de tempo de vida da ferramenta de corte (T), determinado atravs do tempo de trabalho necessrio para que se desenvolva um defeito crtico. Segundo a norma, os critrios que devem ser adotados para ferramentas de metal duro so (Figura 8): Desgaste de flanco mdio, V B = 0,3 mm Desgaste de flanco mximo, VB Max = 0,6 mm, no caso do desgaste no Profundidade da cratera, KT = 0,06+0,3f, (onde f representa o avano) Distncia frontal entre cratera e flanco, KF = 0,02mm Falha catastrfica.

ocorrer de forma regular ao longo do flanco

Para ferramentas de ao rpido e de cermica, os critrios mais comuns so os relativos ao desgaste de flanco mdio e mximo, cujos valores so os mesmos indicados para ferramentas de metal duro. 5

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS A norma ISO 3685 (1993) recomenda a reafiao ou substituio da ferramenta ao atingir qualquer um destes limites. A norma ISO 3695 cita tambm a rugosidade superficial (de acordo com a norma ISO 468), e o crescimento repentino das foras de usinagem como critrio de fim de vida de ferramenta em operaes de acabamento. No caso especfico da rugosidade mdia, os valores indicados so: 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5m, a serem definidos de acordo com a necessidade do fabricante.

Figura 8 Critrios de desgaste de ferramenta de corte (adaptado da norma ISO 3685). 1.4 Mecanismos de desgaste de ferramenta de corte Uma vez que se conhea os tipos de desgaste que costumam ocorrer em ferramentas de corte, importante conhecer tambm os mecanismos de desgaste que podem causar as avarias j 6

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS relatadas na seo 1.3. Os mecanismos de desgaste de ferramentas constituem um importante objeto de estudo no desenvolvimento de novas tecnologias de usinagem, pois uma forma de aumentar a vida da mesma atuando no mecanismo de desgaste predominante, a fim de evit-lo ou minimizar seus efeitos. Segundo Mills e Redford (1983), existem 5 mecanismos bsicos de desgaste de ferramenta: desgaste abrasivo, desgaste adesivo, desgaste difusivo, desgaste causado por ao eletroqumica e desgaste por fadiga superficial. O mecanismo mais comum entre todos o desgaste por abraso, que causado pelo movimento relativo entre a superfcie inferior do cavaco e a superfcie de sada da ferramenta, e entre a nova superfcie de corte e a aresta de corte da ferramenta. Este mecanismo geralmente causa desgaste de flanco, devido ao movimento relativo entre a aresta de corte e a nova superfcie da pea e desgaste de cratera, devido ao movimento entre o cavaco e a superfcie de sada. O desgaste abrasivo pode ocorrer at mesmo na usinagem de metais com dureza relativa muito baixa, devido presena de incluses endurecidas ou precipitados resultantes da produo ou tratamento trmico do material. De acordo com este mecanismo de desgaste, os materiais que contm incluses duras e afiadas so mais prejudiciais do que aqueles que contm incluses endurecidas e esfricas, que tendem a deformar plasticamente a superfcie da ferramenta. O desgaste causado por aderncia ocorre na zona onde h a soldagem entre o cavaco e a superfcie de sada da ferramenta, chamada zona de aderncia, e est associado ocorrncia da aresta postia de corte (APC). A APC basicamente uma camada de cavaco que, permanecendo aderida aresta de corte, modifica o seu comportamento com relao fora de corte, desgaste da ferramenta e acabamento superficial da pea. O desgaste causado por aderncia ocorre, na verdade, quando h a presena de APC instvel, pois neste caso ela periodicamente arrancada da ferramenta, carregando pequenas quantidades de material da ferramenta. Devido sua dependncia ao aparecimento da APC, este mecanismo de desgaste costuma ocorrer a baixas velocidades de corte, e seus efeitos so vistos na superfcie de sada da ferramenta. O desgaste difusivo consiste na transferncia de tomos de um material para outro, o que causa variaes nas propriedades da camada superficial da ferramenta. Este mecanismo altamente dependente da temperatura e da solubilidade dos elementos presentes na zona de fluxo (zona de cisalhamento secundrio), e costuma ser mais forte a altas velocidades de corte e grandes avanos. A difuso ocorre na zona de aderncia, que proporciona tempo para que esta ocorra (assumindo a velocidade da camada inferior do cavaco como zero) e renovao constante de material, pois as camadas do cavaco acima da interface esto em constante movimento.

7

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS O desgaste por difuso pode ocorrer de duas formas. Na primeira, o ferro do ao difundese para a fase cobalto da ferramenta de metal duro, fragilizando-a e aumentando a solubilidade do carbono de 0,07% para 2,1%, causando a dissociao de carbonetos de tungstnio e formando carbonetos complexos do tipo (FeW) 23C6 , que possuem uma resistncia abraso muito menor do que o carboneto de tungstnio original. J na segunda, o cobalto se difunde no ao do cavaco, fazendo com que camada externa da ferramenta torne-se, onde ocorrer a difuso, de baixa resistncia ao cisalhamento. Em ambos os casos, o resultado ser uma camada superficial de baixa resistncia abraso, facilmente desgastada. O meio mais seguro, atualmente, de evitar o desgaste difusivo o uso de ferramentas de materiais com maior inrcia qumica, ou com revestimento de materiais que dificultem a difuso ou a formao de carboneto complexos de baixa resistncia ao cisalhamento. Exemplos destes materiais so os carbonetos de tntalo (TaC), titnio (TiC) e, principalmente, alumina (Al2O 3). Desgaste por ao eletroqumica ocorre, geralmente, em processos onde h o uso de fluido de corte, o que, segundo Mills & Redford (1983), pode gerar condies adequadas ocorrncia de uma reao eletroqumica entre ferramenta e pea. Desta reao, resulta uma camada de baixa resistncia ao cisalhamento na superfcie de sada da ferramenta, da qual pequenas pores de material so arrancadas. Segundo Mills & Redford (1983), a reduo nas foras de corte provenientes da reduo do atrito na camada de baixa resistncia, aliada reduo do desgaste abrasivo e, por vezes, adesivo, resultante da ao do fluido de corte na reduo da temperatura e fico, ir compensar o desgaste de ferramenta devido reao eletroqumica. Por ltimo, o desgaste por fadiga consiste na falha superficial devida a carregamentos (tanto mecnicos quanto trmicos) repetidos. Este mecanismo de desgaste assume importncia somente quando h pouca participao dos mecanismos de desgaste abrasivo e adesivo. Devido s caractersticas da fadiga de materiais, este mecanismo de desgaste ocorre com mais freqncia em processos de corte interrompido, ou em corte contnuo com fora de corte instvel, e favorecido quando a dureza relativa entre a pea e o material da ferramenta no muito elevada.

8

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS 1.5 Ensaios de vida de ferramenta Teste da taxa de desgaste Este tipo de ensaio busca uma estimativa da usinabilidade do material usinado estabelecendo, para determinadas condies de usinagem, a vida til da ferramenta. Um dos ensaios mais usados na indstria o teste da taxa de desgaste, regulamentado pela norma ISO 3865/1993, cujo resultado permite a determinao da vida da ferramenta para uma determinada faixa de velocidades de corte. Considerado o mais eficiente dos ensaios de usinabilidade, este ensaio consiste no torneamento de corpos de prova, com parada da operao e verificao do desgaste da ferramenta a intervalos regulares. O procedimento repetido continuamente at que o desgaste da ferramenta chegue as um limite preestabelecido como o fim de vida da ferramenta (Tabela 1). Tabela 1 Critrios de fim de vida de ferramenta de corte recomendados pela norma ISO 3685 (1993). Critrios de fim de vida de ferramenta de corte Desgaste de flanco mdio (VB) Desgaste de flanco mximo (VB Max ) Profundidade de cratera (KT) Falha catastrfica 0,3mm 0,6mm 0,06+0,3.f

De posse dos dados relativos ao tempo de corte e desgaste de ferramenta, plota-se a curva de desgaste da ferramenta em funo do tempo de corte (Figura 9), repetindo-se o experimento para no mnimo mais duas velocidades de corte diferentes, necessrias para a determinao da equao de Taylor.

Figura 9 Curva VB x t (Fonte: ISO 3685, 1993) . 9

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS

A seguir plotada, a partir dos dados obtidos na curva VB x t, a curva de vida de ferramenta Vc x T, em escala logartmica (Figura 10), na qual pode-se observar uma clara tendncia dos resultados (caso o experimento tenha sido realizado para vrias velocidades de corte) agruparem-se em torno de uma reta, que possui a forma LOGT = LOGK xLOGVc ,100

(1.)

T=K.V cT (min)

-x

10

Vc (m/min)

Figura 10 Curva V c x T. A forma final da equao de Taylor (equao 25) relaciona a vida da ferramenta de corte (T) com a velocidade de corte (Vc), considerando as propriedades do material atravs das constantes K e x, dependentes do par ferramenta-pea. T = K .Vcx

(2.)

Ensaio de faceamento O ensaio de fac eamento rpido, proposto por Kraus e Weddel (1937), consiste no faceamento (Figura 11), em torno, de uma pea, partindo do centro em direo ao permetro externo, estando o torno a uma rotao constante. O aumento na velocidade de corte resultante desse procedimento causa, em um ponto crtico, o colapso da ferramenta, verificado facilmente na pea a partir de uma anlise da superfcie usinada. A medida de usinabilidade proveniente deste ensaio pode ser o tempo necessrio para o colapso da ferramenta, a distncia percorrida pela ferramenta at o seu colapso, ou ainda a velocidade crtica de corte (V2, na Figura 11).

10

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS

Figura 11 Ensaio de faceamento rpido (Fonte: Ferraresi, 1970). Devido falha catastrfica no ser um critrio vlido para ferramentas de metal duro, este tipo de ensaio apresenta como principal limitao o fato de ser aplicvel apenas a ferramentas de ao rpido. Outras limitaes so relativas ao espao fsico do torno, que deve suportar uma pea de dimenses suficientes para atingir o colapso da ferramenta, e ao material da pea, que deve ser to homogneo quanto possvel para garantir um resultado confivel.

11

ENG 03343 Processos de Fabricao por Usinagem DEMEC UFRGS Exerccio: Calcule a vida til de uma ferramenta no torneamento de um ao ABNT 1040 s velocidades de 350, 450 e 500 m/min, sabendo que as constantes da equao de Taylor para este material esto na tabela abaixo: Tabela 2 Coeficientes da equao de Taylor para o ao ABNT 1040. Coeficientes da equao de Taylor K 5,60E+15 x 5

12