A sigla BTA (do inglês, boring and Trepanning Association­) significa a associação de furação e trepanação e designa um processo de furação profunda usado na execução de furos de alta qualidade com elevada relação entre comprimento e diâmetro. A alta qualidade superficial obtida por esse processo resulta, a princípio, do arranjo assimétrico das arestas de corte, decorrendo daí a pressão que as guias aplicam sobre a parede do furo e que promove seu alisamento. Contudo, esse modo de operação implica na incidência de altas solicitações mecânicas sobre as guias [4,5].

Figura 1 – Acabamento das guias feito por microestruturação da superfície antes e depois da aplicação do revestimento. As quatro guias na parte superior mostram, da esquerda para a direita, os efeitos das etapas de retificação, microacabamento, revestimento e novo microacabamento

 

As guias sofrem um desgaste que evolui rapidamente devido ao grande trabalho de conformação que ocorre durante o alisamento das paredes do furo, especialmente no caso de materiais difíceis de usinar. Por exemplo, em materiais com maior resistência como aços de alta liga, as guias sofrem desgaste adesivo. Portanto, elas precisam ser revestidas para garantir que o processo apresente níveis adequados de rentabilidade.

Atualmente, o Instituto de Tecnologia de Usinagem da Universidade Técnica de Dortmund (ISF) está realizando pesquisas sobre a adequabilidade do revestimento de carbono amorfo e isento de água (revestimento tetrahedral amorphous carbon – ta-C) para aplicação na furação profunda com trepanação (BTA) de aços austeníticos [2]. Além do revestimento, esses estudos também têm como tema a influência da configuração da guia. Guias sem revestimento ou revestidas de carbono tipo diamante (Diamond like carbon, DLC) foram submetidas previamente ou posteriormente a microacabamento.

Diferentes formas de guia

Os estudos experimentais foram feitos no ISF usando máquina para furação profunda horizontal, modelo Giana GGB 560. Foi utilizado como ferramenta um cabeçote para furação fornecido pela BTA-Tiefbohrsysteme, com 60 mm de diâmetro, o qual dispunha de três pastilhas de corte intercambiáveis e três guias.

Durante o processo de furação, as guias 1 e 2 foram particularmente mais solicitadas e submetidas aos mecanismos de desgaste. A guia 3, em função da configuração de corte, entrou em contato com a parede do furo somente na etapa inicial de centralização e, portanto, foi pouco solicitada.

As guias foram preparadas para a usinagem de aços de alta liga com a aplicação de revestimento de ta

Figura 2 – Comparação entre os desgastes observados em guias revestidas com TiN ou ta-C durante a furação profunda com trepanação de aço austenítico X5CrNi18-10 (vc = 80 m/min; f = 0,2 mm)

C. A microestrutura desse revestimento mostra o caráter de ligação existente tanto no diamante como no grafite, caracterizando-se por apresentar elevada dureza (4.000 a 7.000 HV) e características de atrito muito boas (coeficiente de atrito μ = 0,1 contra aço). Para garantir uma boa aderência sobre as guias de metal duro, estas foram submetidas

Figura 3 – Influência do raio da guia sobre o desgaste (vc = 80 m/min; f = 0,2 mm). O desgaste da guia cresce quanto maior for o raio (da esquerda para a direita)

a processos de superacabamento. Por meio dessas etapas de processo, é possível texturizar a superfície e elevar sua qualidade [3]. Entre outros efeitos, as condições cinemáticas do processo levam a um arredondamento dos picos [1] (figura 1, pág. 58).

O trabalho de pesquisa ainda incluiu a configuração das guias, bem como a variação da espessura do revestimento de ta-C aplicado. O formato da guia foi alterado por meio do valor adotado de seu raio e da forma da região de entrada. Guias convencionais apresentam raios com valores que são significativamente menores do que o raio do furo que está sendo confeccionado. No caso desta investigação, os valores do raio da guia variaram entre 16 e 28 mm. Quanto ao revestimento de ta-C, foram analisados os resultados de desgaste para dois valores de espessura do revestimento aplicado, a saber, 2 e 4 mícrons.

Revestimento foi superior

As guias acabadas e revestidas com ta-C foram usadas na furação profunda com trepanação (processo BTA) de aço de alta liga X5CrNi18-10. Foi assumido como referência para esses ensaios o desempenho decorrente do uso de guias revestidas com TiN, as quais já foram usadas inúmeras vezes em ambientes industriais. A figura 2 (pág. 59) permite comparar

Figura 4 – Evolução do desgaste da guia em função da espessura de camada (vc = 80 m/min; f = 0,2 mm)

os desgastes observados nas guias com esses diferentes revestimentos após a execução de um furo com 250 mm de comprimento.

Configuração influencia o desgaste

As guias 1 e 2, altamente solicitadas durante o processo de furação, apresentaram diferença significativa na evolução de seu desgaste, particularmente em função da confi guração do cabeçote de furação. Enquanto as guias revestidas com TiN se caracterizaram por apresentar incidência significativa de delaminação do revestimento e adesão de material, as guias revestidas com ta-C não apresentaram desgaste aparente. Em função dos baixos valores de coeficiente de atrito entre esse revestimento e o aço, não ocorreram os mecanismos de desgaste preponderantemente adesivos que são função dos materiais envolvidos.

Foi demonstrado que a resistência ao desgaste dependeu particularmente, em alto grau, do formato da guia. A figura 3 mostra a evolução do desgaste em função do raio da guia após a execução de um furo com 250 mm de comprimento.

Valores crescentes do raio e as superfícies de contato respectivamente maiores entre a guia e a parede do furo durante o processo levaram a níveis elevados de desgaste. Sob menores áreas superficiais de contato, o tempo de contato entre a guia e um ponto específico da parede do furo é menor. Por outro lado, ocorre aumento na pressão superficial que atua sobre a guia. Mas, para o revestimento utilizado, menores tempos de contato sob pressões superficiais elevadas constituem uma condição vantajosa.

Juntamente com a configuração da guia, também seu revestimento mostrou-se decisivo para definir sua resistência ao desgaste. Foram efetuadas séries complementares de ensaios para investigar a influência da espessura do revestimento sobre a evolução do desgaste. Neste caso foram comparadas guias com revestimentos iguais a 2 e 4 mícrons. A figura 4 (pág. 60) mostra os resultados correspondentes obtidos após a execução de um furo com comprimento de 250 mm.

No caso do revestimento com espessura de 2 mícrons, observou-se desgaste adesivo mais intenso. O revestimento na região da entrada por vezes já foi removido durante o processo de furação, expondo o metal duro. Em função das piores características de atrito associadas ao substrato de metal duro, nesses pontos expostos ocorreu soldagem a frio do aço ao cromo-níquel com o substrato.

Conclusão

A forma e o revestimento das guias durante a furação profunda com trepanação (processo BTA) de aços de alta liga exercem influência significativa sobre sua resistência ao desgaste. Do ponto de vista da forma, foi observado que valores crescentes do raio da guia promovem níveis mais elevados de desgaste em função do atrito crescente com a parede do furo. Portanto, a configuração otimizada de uma guia revestida com ta-C deve apresentar raios pequenos e uma área de entrada que se funde tangencialmente com a área de guia. No estudo aqui apresentado, a adequação da área de entrada foi obtida pelo microacabamento nas guias não revestidas.

Além da forma, também a espessura da camada é responsável por uma evolução favorável de desgaste do elemento atuante. Enquanto o uso de camadas com espessura de 2 mícrons leva a uma rápida delaminação do revestimento durante o processo de furação, quando esse valor passa a 4 mícrons não se percebe desgaste aparente após a execução de um furo com 250 mm de comprimento. Esse tema seria investigado mais detalhadamente num projeto de pesquisa com objetivo de determinar qual o valor-limite de espessura que uma camada pode ter para apresentar melhor proteção contra o desgaste, considerando-se os altos custos associados ao seu processo de deposição.

 

Referências

1] Abrahams, H.; Goeke, S.; Biermann, D.: Optimieren von führungsleisten für das BTATiefbohren durch Finishen. Maschinenmarkt. Ausgabe

7/2012, p. 40-45, 2012.

2] Biermann, D.; Kessler, N.: Modified DLC-coated guide pads for BTA deep hole drilling tools. Engineering Materials, v. 438, p. 195-202, 2011.

3] Goeke, S.; Paffrath, K. U.; Biermann, D.: Microfinish with films improves surface quality with high shape accuracy. The 13th EAEC European Automotive Congress 2011, Universidade Politécnica de Valência, Espanha, 2011.

4] VDI-Richtlinie 3209 Blatt 1: Tiefbohren, richtlinie für das tiefbohren mit äußerer zuführung des kühlschmierstoffes (BTA- und ähnliche verfahren). VDI, Düsseldorf, 1989.

5] VDI-Richtlinie 3210 Blatt 1: Tiefbohrverfahren. VDI, Düsseldorf, 2006.


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