Geometria de furos usinados com broca de aço rápido VK5 a alta velocidade, em peça de Al-Si

Com o desenvolvimento de novas ferramentas de corte, as velocidades utilizadas nos processos atingem valores inconcebíveis. Nesse contexto, o aço e o ferro fundido vêm sendo gradativamente substituídos por materiais de menor densidade, melhor usinabilidade e também custo-benefício. Sendo assim, este trabalho avaliou a furação de uma liga Al-Si fundida sob pressão, com o uso de uma broca de aço rápido VK5 em velocidades de corte de 340 m/min e 380 m/min. O ponto de vista principal foi a tolerância do produto e o desgaste da ferramenta.


P. S. Martins, J. R. G. Carneiro, A. B. C. França, L. Dutra e P. P. Brito

Data: 05/07/2017

Edição: MM Junho 2017 - Ano - 53 No 617

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Figura 1 – Diagrama do modelo de uso de três fases de desgaste de uma broca de aço rápido [12]

As ligas de aluminío são constantemente utilizadas em razão da sua reistência mecânica e baixa densidade, além da usabilidade. A adição do silício ao alumínio decresce o seu ponto de fusão e melhora a resistência ao desgaste do componente. As ligas Al-Si, por exemplo, são usadas na fabricação de componentes de motores de combustão, que exigem fluidez e baixa tendência de contração, as quais são alcançadas nos processos de fundição sob pressão.

Para a produção de uma peça em Al-Si, tal como um cabeçote de motor, diversas operações de usinagem são empregadas, dentre as quais furação, alargamento, rosqueamento, mandrilamento, fresamento e lavagem. Posteriormente, o acabamento é feito, neste caso, sem a necessidade de retificação ou polimento. Devido à boa condução de calor da liga Al-Si, as forças de corte usadas e a taxa de desgaste da ferramenta são consideradas baixas[3].

Figura 2 – Microestrutura da liga Al-Si, evidenciando a fase clara rica em alumínio e o eutético

Figura 3 – Sistema hidráulico de fixação da broca VK5

Estima-se que em torno de 15% a 20% de todo o aço produzido no mundo seja transfor mado e removido por usinagem na forma de cavaco. A usinabilidade de um material é definida como uma tecnologia comparativa, ou seja, que expressa, por meio de um valor numérico, o confrontamento de um conjunto de propriedades de usinagem [5]. Este indicador pode ser obtido levando em consideração o número de componentes produzidos por hora, o custo de produção do componente ou a qualidade final da superfície trabalhada[14].

O processo de usinagem é não linear, envolvendo fenômenos como deformação plástica, fratura, impacto, pontos de contato intermitentes e desgaste. Caracteriza-se, ainda, pela geração de calor e elevada temperatura de corte. Em razão da complexidade do procedimento, muitas vezes não é possível obter uma descrição matemática da sua dinâmica, o que pode ser superado por meio do uso de sensores de medição.

Figura 4 – Cilindrade pontual e suas médias em relação ao número de peças, utilizando brocas de aços VK5 e velocidade de corte de 340 e 380 m/min

Em altas temperaturas, a ferramenta de corte pode perder a sua forma rapidamente ou sofrer desgaste, resultando no acréscimo da força de corte, baixa exatidão dimensional do produto, redução da vida útil, dano mecânico e químico da superfície acabada. Essa elevada temperatura pode ser controlada por injeção de fluido lubrificante e refrigerante na interface cavaco-ferramenta. Dentre os processos de usinagem tradicionais, a furação é uma das operações de corte de metal mais importantes, consistindo em 33% de todas as operações de usinagem, e responsável por aproximadamente 40% de toda operação de remoção de metal na indústria aeroespacial[6].

O grau de calor na interface cavaco-fer ramenta tem uma influência impor tante no desgaste da ferramenta e na microestrutura da região de deformação. A temperatura cresce com o aumento da profundidade do furo para a mesma velocidade de avanço e do eixo [11]. Outra teoria é que seu valor máximo na face de corte da broca é uma função crescente da velocidade de corte e de avanço[8].

A medição é empregada, neste caso, para monitorar, controlar ou investigar o processo, sendo que o resultado alcançado é uma faixa de valores associada a uma unidade de medida, sendo o valor verdadeiro compreendido nesta. A qualidade, a segurança e o controle de um processo são assegurados pela medição. As imperfeições contidas em uma superfície podem ser mensuradas com equipamentos apropriados e a importância do acabamento superficial aumenta quando a precisão de ajuste entre as peças sobe.

Deve-se salientar que as superfícies reais de engenharia são compostas de forma, ondulação e rugosidade, podendo ser filtradas em cinco estágios. Os desvios de forma das superfícies reais, com relação aos parâmetros macro e micrométricos, são, respectivamente, circularidade, cilindricidade e rugosidade. A rugosidade média (Ra) pode ser vista como o desvio médio de um perfil da sua linha ou a distância média de um perfil desde sua linha média sobre um comprimento médio[10].

A velocidade de corte, avanço e profundidade são, respectivamente, indexadas por vc, fn e ap – as variáveis mais importantes neste processo. A velocidade de corte (vc) é a velocidade instantânea do ponto de referência da aresta da ferramenta, segundo a direção e sentido de corte. Para os processos com movimento de rotação, a velocidade de corte é calculada na equação 1.

O diâmetro da peça (mm) ou da ferramenta (N) corresponde ao número de rotações por minuto. O avanço (fn) é o percurso em cada rotação (mm/rot) ou em cada curso da ferramenta. A profundidade de corte (ap) é a profundidade ou a largura de penetração da ferramenta na peça, medida numa direção perpendicular ao plano de trabalho (NBR6162/1989). Na furação com brocas helicoidais, os esforços atuantes estão ligados à geometria da broca e às condições de corte do processo, tais como avanço, velocidade de corte e rigidez do conjunto peça/máquina-ferramenta[2].

Figura 5 – Cilindrade pontual e suas médias em relação ao número de peças, utilizando brocas de aços VK5 e velocidade de corte de 340 e 380 m/min

O uso da ferramenta de aço rápido está limitado à baixa velocidade de corte relativa, na qual este parâmetro é inferior à velocidade econômica de corte dos materiais de ferramentas mais resistentes[13]. No desenvolvimento do próprio aço rápido, é reconhecido que somente a adoção de um método de modificação da superfície e do revestimento da ferramenta pode alcançar qualquer melhoria signifi cativa.

Foi avaliada a aplicação de cinco categorias diferentes de DLC, para brocas de aço rápido em usinagem de alumínio, sem o uso de fluido de corte para remoção do cavaco[4]. O alumínio é particularmente difícil de usinar a seco, por causa da sua aderência na ferramenta em altas temperaturas.

Na furação, a medição do desgaste não é importante somente nos seus estágios finais, que precedem falhas catastróficas, mas também por meio da vida da broca. O progresso do desgaste de flanco na furação segue um modelo de três estágios. No primeiro, o desgaste resulta em rápida elevação já nos primeiros segundos de corte, ao passo que no segundo essa taxa é constante. No último estágio, o desgaste avança por um mecanismo adesivo, em uma taxa que é linear com o tempo de cor te (figura 1, pág. 42)[12].

O aquecimento para a têmpera do aço VK5 é feito em banho de sal fundido. Inicialmente, realiza-se um aquecimento preliminar até 500oC em forno aberto ou dotado de circulação forçada de ar, para a eliminação da umidade e dos resíduos de óleo ou outros contaminantes. Em seguida, as peças são removidas para um banho de preaquecimento, mantido a cerca de 860°C a 880oC, onde permanecem até a equalização da temperatura.

No caso de peças de grandes seções e geometrias complexas, recomenda-se mais uma etapa de preaquecimento a cerca de 1.050oC[15].

Este trabalho avaliou o desempenho da broca VK5 quanto à resistência ao desgaste, sendo usada na furação de peças em ligas de Al-Si, em velocidade de corte de 340 e 380 m/min.

Procedimentos experimentais

A matéria-prima utilizada neste trabalho é uma liga Al-Si obtida em fundição sob pressão, na forma de placas retangulares. Foi fundido um corpo de prova representativo da corrida, o qual foi posteriormente fresado e cortado para a retirada de amostras de 30 x 30 mm, para análise química e metalográfica. Elas foram analisadas em um microscópio óptico da Leitz, com capacidade de aumento de 200 vezes.

Figura 6 Análisde da superfície Ra(a), Rt(b) e Rz(c) dos furos gerados pelas brocas VK5

Para a análise de sua microestr utura, as amostras foram atacadas com água destilada com volume de 95%, ácido fluorídrico HF-1 ml, ácido nítrico-HNO3 -2,5 ml e ácido clorídrico-HCl-1,5 ml, durante cinco horas. Foi realizado um ensaio de microdureza Vickers em um aparelho da Leitz, com carga de 100 gf. A tabela 1 (pág. 47) mostra a composição química da liga Al-Si fundida sob pressão em lingotes.

A utilização do cobre melhora a usinabilidade das peças injetadas, facilitando ainda sua solidificação em temperaturas mais baixas e reduzindo descontinuidades internas na peça fundida. A presença do fer ro nas ligas Al-Si é considerado um fator de fragilização, reduzindo o tempo de desmoldagem. A microestrutura consistiu de fase alfa rica em alumínio e o eutético.

Figura 7 – Diâmetro do furo para as duas velocidades de corte, em relação ao número de peças

A fase intermetálica do eutético é Al5Cu2Mg2Si6 ou Al15(FeMn)3Si2. O teor de silício da liga significa que ela contém partículas primárias, que promovem desgaste da ferramenta por mecanismo de abrasão quando comparado a outras ligas de alumínio (figura 2, pág. 44).

Foram utilizadas brocas de VK5 com haste paralela, tolerância de 12,20mm ângulo de ponta a 145o e ângulo de folga a 10o, montadas em um mandril hidráulico (figura 3, pág. 44).

As velocidades de corte aplicadas foram de 334 e 380 m/min, enquanto a rotação foi de 8.800 a 1.100 rpm, o avanço de 0,36 mm/ rot e a profundidade de corte de 6,1 mm, considerando-se que a broca tem diâmetro nominal de 12,2 mm. Os ensaios realizados com ligas de alumínio e alargadores monocortantes não apresentaram variações de rugosidade, er ros de for ma ou equívocos dimensionais do furo com a variação da velocidade de corte.

Figura 8 – Análise em microscopia óptica e EDS da aresta de corte da broca VK5 a 340 m/min

O fluido de corte utilizado foi o Hocut B 205D, com a concentração de 6% a 8% em volume de água e 30 bar de pressão. Enquanto isso, os furos tinham 8 mm de profundidade. Após os testes de furação, as peças foram resfriadas até a temperatura ambiente e medidas no laboratório de metrologia.

Foram retiradas as peças de número 1, 150, 300, 450, 600, 750, 900, 1.050 até 3.100, para a medição dos parâmetros geométricos de cilindricidade, circularidade e diâmetro do furo, respectivamente, nos equipamentos Talyrond 4, Coord Her A e Hera 3 Coord. Foi medido também o erro de batimento para o sistema hidráulico, nesta mesma sequência.

Figura 8 – Análise em microscopia óptica e EDS da aresta de corte da broca VK5 a 340 m/min

Os parâmetros de superfície Ra, Rz e Rtforam avaliados para as peças 1, 150, 300, 450, 600, 750, 900, 1.050 até 3.100, utilizando-se um equipamento da Taylor Hobson (Form-Talysurf series) e um filtro gaussiano para análise de aspereza com cut-off de 0,8 mm e comprimento de 4,8 mm. A tolerância de 3,2 μm (Ra) da superfície do furo foi controlada por um software desenvolvido especificamente para esta análise.

Resultados e discussões

A figura 4 (pág. 46) mostra a evolução da cilindricidade dos furos com o número produzido pelas brocas de aço VK5. Os valores médios deste parâmetro entre as velocidades de corte mostram que as dispersões são semelhantes nos pontos 500 e 1.200, para velocidade de corte em 380 m/min.

Os demais valores foram abaixo de 0,02 μm, em comparação aos valores obtidos a 340 m/min. A média geral de cilindricidade para 340 m/min foi de 0,019 μm e para 380 m/min foi de 0,018 μm.

A figura 5 (pág. 47) mostra a evolução da circularidade em função do número de furos para brocas VK5, além dos valores médios e dispersão obtida na circularidade dos furos produzidos com as velocidades determinadas (340 e 380 m/min). A média dos valores para duas velocidades manteve-se linear, mas o desvio padrão para 340 m/min foi maior entre as peças enumeradas como 1.000 a 2.200.

A figura 6 (pág. 48) mostra a evolução da textura da superfície, em função do número de furos usinados.

Os valores médios e a dispersão da superfície analisada (Ra, Rt e Rz) para as velocidades de corte de 340 e 380 m/min apresentaram variações acentuadas de furo para 0, 2, 3 e 4 μ m. Percebe-se que o valor médio da rugosidade obtida a 340 m/ min foi maior, quando comparada com a outra velocidade (380 m/min).

Os valores médios e a dispersão da superfície analisada (Rt e Rz) para os dois tipos de velocidade apresentaram comportamentos diferentes entre os furos de número 1.500. A partir do furo 1.750, a rugosidade média dos parâmetros Rt e R z aumentou para as duas velocidades de cor te, o que se dá pelo desgaste gerado na aresta de corte.

A figura 7 (pág. 50) apresenta a evolução do diâmetro dos furos com as peças de número 1 a 3.100, nas duas velocidades de corte (340 e 380 m/min), mostrando diferença significativa. É possível justificar este resultado pela natureza do desgaste que ocorre no flanco da broca e também na adesão deste material à broca. Para este número reduzido de furos, a adesão é física e não química, o que torna a retirada do material facilitada ao longo do processo de usinagem.

Nela nota-se a presença da aresta postiça de corte (APC) – fenômeno que ocorre ao longo do processo de usinagem, principalmente em baixas velocidades. No ponto a, foram demarcados os três pontos de análises, sendo os pontos 1b e 2c na análise em EDS, no microscópio eletrônico de varredura (MEV).

Observa-se a presença de APC aderido na aresta de corte. Já no ponto 3d, percebe-se a presença de elementos da broca VK5 em maior proporção. A figura 9 (pág. 52) traz a análise da superfície da broca utilizada na velocidade de 380 m/min, após a usinagem de 1 a 2.100 peças.

Com o aumento da velocidade de corte para 380 m/min, a presença da APC foi menor na aresta principal de corte no ponto a, quando foram marcados os três pontos de análise. No ponto 1b, aparecem valores menores de Al-Si, em comparação ao ponto 1b da figura 8. Para os pontos 2c e 3d, os valores foram semelhantes.

Conclusão

Os valores de cilindricidade e circularidade comportaramse de forma semelhante com o aumento dos parâmetros de corte (velocidade de corte). A média e o desvio padrão dos valores responderam mais positivamente na velocidade de corte de 380 m/min, o que se dá pelo fato da aresta de corte da broca percorrer em um menor tempo de contato com a parede do furo.

Parâmetros de super fície (Ra, Rt e Rz) obtiveram médias semelhantes, sendo que a 380 m/min foram obtidas somente 2.100 peças, pois com essa velocidade os valores dimensionais dos furos foram reduzidos.

A altas velocidades, os valores de diâmetros foram piores. Em comparação com a baixa velocidade, esse fenômeno ocorre devido ao aumento do atrito da aresta da ferramenta ao material usinado.

Referências

  1. Abu-Mahfouz, I.: Drilling wear detection and classification using vibration signals and artificial neural network. International Journal of Machine Tools & Manufacture, no 43, p. 707-720, 2003.
  2. Arenas, M. G. W.: Uma contribuição ao processo de furação sem fluido de corte com broca de metal duro revestida com TiAlN. Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Campinas (Unicamp), Campinas (SP), 2003.
  3. Cotterell, M. G.; Kelly, J. F.: Minimal lubrication machining of aluminium alloys. Journal of Materials Processing Technology, n° 120, p. 327-334, 2002.
  4. Dasch, J. M.; Aang, C. C.; Wong, C. A.; Cheng, Y. T.; Weiner, A. M.; Lev, L. C.; Konca, E. A.: Comparison of five categories of carbonbased tool coatings for dry drilling of aluminum. Surface & Coatings Technology, v. 200, p. 2.970-2.977, 2006.
  5. Diniz, A. E.; Marcondes, F. C.; Coppini, N. L.: Tecnologia da usinagem dos materiais. 4 a ed., Artliber, São Paulo, 2001.
  6. Ertunc, H. M.; Oysu, C. Drill.: Wear monitoring using cutting force signals mechatronics. v. 14, p. 533-548, 2004.
  7. Harris, S. G.; Vlasved, A. C; Doyle. E. D; Dolder, P. J.: Dry machining – commercial viability through filtered arc vapour deposited coating. Surface and Coating Technology, no 133-134, p. 383-388, 2000.
  8. Nouari, M.; List, G.; Girot, F.; Coupard, D.: Experimental analysis and optimization of tool wear in dry machining of aluminium alloys. Wear, n o 248, p. 1.359-1.368, 2003.
  9. Nouari, M.; List, G.; Girot, F.; Géhind, D.: Effect of machining parameters and coating on wear mechanisms in dry drilling of aluminium alloys. International Journal of Machine Tools & Manufacture, n o 45, p. 1.436-1.442, 2003.
  10. Oliveira C. J.: Avaliação da influência de sistemas de filtragem aplicados a topografia de superfície em usinagens. Dissertação de Mestrado, PUC Minas, Belo Horizonte, 2004.
  11. Ozcelik, B.; Bagci, E.: Investigation of the effect of drilling condition on the twist drill temperature during stepby-step and continuous dry drilling. Materials and Design, no 27, p. 446-454, 2006.
  12. Quick, D.; Audy, J.; Vlasveld, A. C; Doyle, E. D; Harris, S. G.: A study of the wear mechanisms of Ti1-xAlxN and Ti1-x-yAlxCryN coated highspeed steel twist drills under dry machining conditions. Wear 254, p. 723-734, 2003.
  13. Sales, W. F.; Santos, S. C.: Fundamentos da usinagem dos materiais. Belo Horizonte, 2003.
  14. Trent, E. M.; Wright, P. K.: Metal Cutting, ButteworthsHeinemann. 4a ed. Ltd, London, 2000.
  15. Villares Metals: Catálogo: aços rápidos aplicados em ferramentas de corte, 2009.