Graças à elevada dureza e resistência quente, as pastilhas de corte de nitreto cúbico de boro policristalino (PCBN) apresentam enorme potencial para materiais ferrosos de difícil usinabilidade e resistentes a altas temperaturas. Contudo, a afiação dessas ferramentas, durante a etapa de produção, é muito dispendiosa devido ao intenso desgaste que ocorre nos rebolos, resultante das altas forças de processo que são geradas durante a afiação.

As solicitações sobre o rebolo dependem, além dos parâmetros de processo adotados, da especificação do PCBN que está sendo afiado. As forças de retificação são reduzidas quando o nitreto cúbico de boro (CBN) apresenta maiores valores de tamanho de grão, uma vez que, sob tais condições, o corte do material é favorecido por seu caráter frágil.  

Especificações e aplicações

O desenvolvimento do CBN nos anos 1950 e o estabelecimento do PCBN como material de corte no início da década de 1970 abriram novos campos para a aplicação da usinagem com arestas de corte definidas geometricamente, que, até aquele instante, era exclusividade dos processos de retificação [2]. Entre os campos mais importantes atendidos pelas pastilhas de corte

intercambiáveis feitas com PCBN encontram-se a usinagem de aços temperados, bem como a de ferros fundidos e ligas à base de níquel[1,4,7].

A grande variedade de aplicações decorre das especificações do PCBN. Basicamente, as ferramentas feitas com esse material podem ser diferenciadas em termos do tamanho de grão e da fração de nitreto cúbico de boro, bem como da composição química do ligante. A ferramenta se torna adequada para diferentes aplicações conforme sua composição. Groβmann classificou as especificações de PCBN em termos do teor de CBN em três categorias [3]. As ferramentas com elevado teor (superiores a 80%) são adequadas para a usinagem de desbaste de ligas ferrosas duras. Teores dentro da faixa intermediária (superiores a 65%) são convenientes para uso na usinagem de ferro fundido cinzento em corte contínuo. As ferramentas com menores teores (superiores a 50%) são adequadas para ferramentas a serem usadas especificamente na usinagem de acabamento de aços temperados.

Kress, por sua vez, estabeleceu as faixas de utilização das especificações conforme o tipo de solicitações que surgem nos diversos processos de usinagem [4]. Portanto, nos casos onde há abrasão, adesão e ruptura da superfície, é necessário que a ferramenta apresente maior teor de CBN, o qual ainda deve apresentar menor tamanho de grão. Conforme a temperatura, Kress recomenda o uso de ligante metálico ou à base de TiC/TiN. Nos casos em que as solicitações triboquímicas são dominantes, é vantajosa a utilização do menor teor possível de CBN, o qual deverá apresentar tamanho de grão grosseiro. Neste caso, pode-se usar TiN ou TiC como ligante.

Em comparação com o metal duro, a afiação das pastilhas de corte de PCBN consome mais material e tempo, além de apresentar maiores custos. Em média, a retificação dura de quatro a oito minutos. Além disso, o desgaste da ferramenta de afiação em relação ao volume removido da pastilha é muito alto (o valor da relação G varia entre 0,2 e 0,5). Adicionalmente, a variedade de tipos de PCBN dificulta a determinação dos parâmetros otimizados de afiação [6]. Em função dos altos custos de produção, devem ser empregadas ferramentas de PCBN somente quando forem esperados valores significativamente maiores de vida útil ou parâmetros de corte mais severos em relação a ferramentas cujo uso seja mais favorável (por exemplo, as feitas de metal duro). Contudo, também aqui a determinação dos parâmetros otimizados de corte é muito difícil devido à grande variedade de especificações de PCBN.

Mecanismos de desgaste

O Instituto para Tecnologia de Manufatura e Máquinas-Ferramenta (IFW) efetuou, dentro de um projeto de pesquisa, estudos sobre o tema “Mecanismos de Desgaste durante a Afiação de Pastilhas de Corte Intercambiáveis de PCBN”. Neste projeto foram estabelecidos os fundamentos sobre o desgaste de rebolos e os me-

Figura 1 – Variantes de composição do PCBN

 

canismos de separação de material durante o processo de afiação. Foram pesquisadas pastilhas de PCBN com diferentes especificações, bem como os parâmetros e ferramentas, com o objetivo de se estabelecer correlações durante o processamento das ferramentas de PCBN. Essas correlações podem ser aproveitadas para se otimizar e reduzir os custos associados à produção de pastilhas de corte intercambiáveis feitas com PCBN.

As especificações de PCBN pesquisadas diferenciavam-se entre si em função do tamanho de grão e do teor de CBN. A figura 1 mostra o aspecto de cinco seções transversais polidas correspondentes a diferentes

Figura 2 – Processo de afiação periférica de pastilhas de corte

 

especificações de tipos consagrados de PCBN. O aspecto dessas seções polidas mostra o aumento escalonado do teor e do tamanho de grão do CBN. Foi usado TiN como ligante. A fração de PCBN das pastilhas foi sinterizada sobre uma base de metal duro.

Na fase de manufatura industrial as pastilhas de PCBN foram processadas até atingir as dimensões finais por meio de retificação, utilizando-se um processo de afiação plana da extremidade transversal. Esta retificação normalmente constitui a última etapa de processo que confere o nível de qualidade desejado. A figura 2 mostra uma representação esquemática do processo de afiação periférica utilizado. Os parâmetros de ajuste primários foram a velocidade de avanço axial vfa e a velocidade de corte vc. O rebolo em forma de copo feito com diamante, que foi usado durante o processo de afiação, podia trabalhar de forma contínua ou, opcionalmente, ser afiado antes do processo, utilizando-se um rolo de coríndon.

Forças durante a afiação

É imprescindível conhecer as forças que surgem durante o processo de afiação para se determinar as complexas interações que ocorrem entre a especificação do PCBN, parâmetros de processo e ferramenta.

Afiação

Figura 3 – Sistema para medição de forças durante a afiação periférica

 

Os mecanismos de separação de material e de desgaste do rebolo podem ser esclarecidos a partir das solicitações mecânicas. Portanto, este projeto de pesquisa incluiu o desenvolvimento de um sistema de medição de forças para a retificadora empregada (modelo 715 Centro, fabricada pela Wendt, mostrada no lado esquerdo da figura 3) integrado ao ambiente de trabalho. Para tanto, foram instalados dois sensores para medição de força, modelo 9213, fabricados pela empresa Kistler, sobre a haste do sistema de fixação. Os sensores foram arranjados de tal forma que pudessem medir as forças normal e tangencial (figura 3, à direita).

Os resultados apresentados na figura 4 mostram a influência da especificação do PCBN sobre as forças resultantes da afiação. São mostradas nessa figura as forças

Figura 4 – Cadeia de processos da afiação de pastilhas com diversas especificações de PCBN

 

Afiação

Figura 5 – Análise da superfície

 

normal e tangencial que atuam sobre a largura bw das pastilhas. As forças se tornaram menores à medida que o tamanho de grão do CBN aumentou (pastilhas 1-3-5). Por sua vez, a variação entre os valores do teor de CBN considerados neste estudo não apresentou nenhum efeito sobre as solicitações mecânicas (comparação com as pastilhas 2-3-4).

Os diferentes níveis de força permitem identificar os diversos mecanismos de separação de material que atuam quando ocorre alteração no tamanho de grão do CBN. A figura 5 (parte superior) mostra imagens da superfície do PCBN registradas por um perfilômetro tridimensional a laser (μScan, fabricado pela empresa Nanofocus). A partir desses resultados pode-se constatar que a pastilha do tipo 1 apresentou estrutura superficial homogênea. Isso está associado à separação de material apresentando caráter altamente dúctil. Já a micrografia relativa à pastilha do tipo 3 apresentou regiões onde houve a remoção de aglomerados de grãos grosseiros a partir da superfície.

No caso da pastilha 5 verificou-se que grãos inteiros se soltaram do ligante em alguns locais. Além disso, as micrografias obtidas através de microscopia eletrônica de varredura, apresentadas na figura 5 (parte inferior), mostraram um aumento das estruturas superficiais que sofreram fissuras no interior dos grãos de CBN à medida que estes se tornaram mais grosseiros. Esse fenômeno foi causado pelo aumento das separações de material com caráter frágil, o qual levou a uma redução nas forças de afiação [5].

Conclusão

Foi desenvolvido no IFW um sistema de medição e registro das forças normal e tangencial durante a afiação circunferencial de pastilhas de corte intercambiáveis feitas com PCBN para poder esclarecer as interações entre os parâmetros de entrada e saída do processo. Os resultados obtidos mostraram que as forças geradas pela afiação dependem essencialmente do tamanho de grão do CBN. Já o teor de CBN não exerceu nenhum efeito significativo. Isto é justificado com base nos mecanismos de separação de material atuantes.

A elevação do tamanho de grão do CBN favoreceu a separação de material com caráter frágil, que está associada a menores solicitações mecânicas. Estudos posteriores deverão esclarecer como essas solicitações do processo atuam sobre o desgaste do rebolo. Seu objetivo será determinar parâmetros de trabalho otimizados e compatíveis conforme a especificação do PCBN e, dessa forma, elevar a produtividade do processo de afiação das pastilhas de corte intercambiáveis de PCBN.

Referências

  1. Biermann, D.; Baschin, A.; Krebs, E.; Schlenker, J.: Manufacturing of dies from hardened tool steels by 3-axis micromilling. Production Engineering - Research and Development 5 2, p. 209-217, 2011.
  2. Gardenier, C. F.: Physical properties of superabrasives. Ceramic Bulletin, Band 67, Heft 6, p. 1.006-1.009, 1988.
  3. Großmann, G.: Bevorzugte anwendungsgebiete für PKB schneidstoffe. In: VDI-Z Special Werkzeuge, p. 18-22, 1997.
  4. Kress, J.: Auswahl und einsatz von polykristallinem kubischem bornitrid beim drehen, fräsen und reiben. Dr.-Ing. Dissertation, Technische Universität Dortmund, 2007.
  5. Lierse, T.: Mechanische und thermische wirkungen beim schleifen keramischer werkstoffe. Dr.-Ing. Dissertation, Universität Hannover, 1998.
  6. Michels, C.: Nur mit optimalem system: schleifen von CBN-/PKD-werkzeugen. In: VDI-Z Special Werkzeuge, p. 59-61, 2003.
  7. Sieben, B.; Wagner, T.; Biermann, D.: Empirical modeling of hard turning of AISI 6150 steel using design and analysis of computer experiments. In: Production Engineering – Research and Development 4, p. 115-125, 2010.

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