REVESTIMENTO

Comparação da vida de brocas com e sem revestimento na furação do ferro fundido CGI450

F. R. de Paula, Á. R. Machado, C. L. F. de Andrade e N. O. Soares

As propriedades mecânicas superiores do ferro fundido vermicular (CGI), em relação às do ferro fundido cinzento, tornam muito interessante o seu uso para a fabricação de alguns componentes, especialmente os blocos de motores a combustão. Entretanto, sua menor usinabilidade implica desafios na linha de produção. Na usinagem do CGI o fim de vida da ferramenta de corte é precoce, principalmente sob condições severas, situação que instiga o estudo de novos revestimentos para aumentar a vida dessas ferramentas de corte.

Oferro fundido vermicular CGI450 apresenta propriedades mecânicas que o tornam interessante para a fabricação de, por exemplo, blocos de motores a combustão, setor em que clientes buscam constantemente motores com maior eficiência. No entanto, sua pior usinabilidade, que não é uma propriedade específica do material, mas sim uma consequência de uma complexa interação entre ferramenta de corte e peça, envolvendo fatores como a vida da ferramenta, força de corte, qualidade de superfície usinada e outros(9), é acompanhada por desafios na linha de produção. A usinabilidade do CGI é dependente das propriedades mecânicas do material, e essas propriedades são altamente relacionadas à morfologia da grafita e à microestrutura do material(6). Em particular, a grafita é um elemento de baixa dureza quando comparado a outros elementos presentes no ferro fundido. No entanto, a morfologia vermicular da grafita do CGI lhe propicia uma forte ancoragem na matriz metálica, o que influencia suas propriedades mecânicas e reduz a clivagem ou propagação de trincas no material durante sua usinagem(6). Essencialmente, o CGI tem sua microestrutura formada por ferrita, grafita e perlita, e na literatura(5) há estudos que consistem na avaliação de dois regimes de corte, contínuo e interrompido, a influência da perlita na vida da ferramenta de corte de metal duro e PCBN. Para ambas as ferramentas, foi constatado que o aumento da quantidade de perlita foi benéfico para o regime de corte interrompido. No entanto, levou a um fim de vida precoce da ferramenta quando foi usado o regime de corte contínuo. Um estudo mostrado na literatura(7) aborda que a espessura das lamelas de cementita presentes na perlita são influentes na usinabilidade do CGI e, usando a usinabilidade do ferro fundido cinzento como referência, foi constatado que o CGI de lamelas mais grossas apresentou 67% de usinabilidade, enquanto o CGI de lamelas mais finas apresentou 83%. O espaçamento entre essas lamelas de cementita foi avaliado em outros estudos(1, 8). No primeiro, os resultados mostram que diferentes espaçamentos interlamelares não causaram efeitos significativos na usinabilidade em usinagem intermitente, situação

Fabio Rustow de Paula (fabio.rustow@pucpr.edu.br) e Álisson Rocha Machado (alisson.rocha@pucpr.br) são do Laboratório de Pesquisa em Usinagem (LAUS) da Escola Politécnica da PUCPR – Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PR). Cássio Luis Francisco de Andrade (cassio@tupy.com.br) é da Tupy S.A., com sede em Joinville (SC). Neider Oliveira Soares (neider.soares@guhring-brasil.com) é da Gühring do Brasil, com unidade em Salto (SP). Este artigo foi apresentado no 24º Colóquio de Usinagem, realizado de 25 a 27 de maio de 2022 na Escola Politécnica da PUCPR, em Curitiba (PR).

que também ocorreu no segundo, mas neste estudo, com usinagem contínua, o que surpreendeu os autores, pois, segundo eles, a dureza é inversamente proporcional à distância interlamelar da perlita. O magnésio é adicionado ao ferro líquido para contribuir para a formação de grafitas em forma de verme. Entretanto, o magnésio tem maior afinidade química com o enxofre do que o manganês. Assim, ao invés de se formar partículas de sulfeto mais macias e flexíveis do que de manganês (MnS), que durante o processo de usinagem formam um filme lubrificante sobre a superfície da ferramenta, forma-se sulfeto de magnésio (MgS), que são partículas duras e abrasivas durante o processo de usinagem(3, 4, 5). Na superfície da ferramenta de corte pode ser depositado revestimento cerâmico, em camada única ou multicamadas, por processo de deposição química de vapor (CVD) e/ou deposição física de vapor (PVD), afim de atenuar a ação das partículas abrasivas, reduzir as forças e temperatura desenvolvidas durante a usinagem, o que consequentemente pode promover aumento de vida da ferramenta de corte, possibilitar o uso de velocidade de corte maior e aumento de produtividade(2, 10) . Vistas as particularidades do CGI, e visto que na usinagem o fim de vida da ferramenta de corte é precoce, principalmente em condições severas, como o processo de furação, quando comparado ao material tradicional para fabricação de motores a combustão, o ferro fundido cinzento, esta situação instiga o estudo sobre revestimentos para aumentar a vida das ferramentas de corte. Assim, este estudo traz uma avaliação sobre o comportamento de três revestimentos de brocas de metal duro na furação do ferro fundido vermicular CGI450, além de comparação entre eles e brocas sem revestimento.

Figura 1 – Brocas revestidas e não revestidas com geometria diferenciada

Figura 2 – Afiação da aresta principal do tipo R. Fonte: Catálogo técnico Gühring (2022)

Materiais e métodos

Na figura 1 são mostradas as brocas utilizadas neste estudo, feitas de metal duro, nanoestruturadas, com diâmetro de 8 mm e com geometria diferenciada (figura 2), e foi avaliado o comportamento dos revestimentos multicamadas Fire (TiN+TiAlN), Endurum (TiSiN+TiAlN) e Signum (TiAlSiN) em ensaios de furação feitos em barras retangulares de ferro fundido vermicular CGI450. Brocas sem revestimento também foram utilizadas para comparação. Para os ensaios, as barras foram fixadas diretamente na mesa da máquina, usando laxas de fixação, garantindo boa rigidez do conjunto. Antes do ensaio, as superfícies superior e inferior das barras foram faceadas, ficando as peças com dimensões de 390 x 240 x 46 mm. Os ensaios foram realizados em um centro de usinagem modelo Arrow 500 (Cincinati Milacron), com mandril hidráulico GM300 SK-40 D8 (Gühring) que foi usado para a fixação da broca, e seguiram a seguinte rotina: a cada 26 furos feitos na barra de CGI, o ensaio era pausado para análise de desgaste da ferramenta de corte em estereomicroscópio modelo Discovery V12 (Zeiss); caso o limite de desgaste não tivesse sido constatado, a ferramenta voltava para a máquina para mais uma sequência de 26 furos. Os ensaios foram interrompidos quando o fim de vida da ferramenta foi constatado – desgaste de flanco VBB máximo de 0,3mm, 469 furos ou ruído excessivo com iminência de colapso, o que ocorresse primeiro. As brocas têm canais de refrigeração em sua parte interna. Entretanto, os ensaios foram realizados a seco. Os furos foram feitos com profundidade de 17,5 mm e equidistantes entre si, sendo 10 mm

Planejamento 01 Variáveis Velocidade de corte (m/min) Avanço (mm/rev) Revestimento

Planejamento 02 Variáveis Velocidade de corte (m/min) Avanço (mm/rev) Revestimento Tabela 1 – variáveis e seus níveis

X1 X2 X3 (-) 100 0,2 Sem revestimento

X1 X2 X3

(-) 100 0,2 TiSiN+TiAlN Nível

Nível

(+) 150 0,35 TiN + TiAlN

(+) 150 0,35 TiAlSiN

a distância de centro a centro. Para avaliar o comportamento dos revestimentos em ensaios de vida da ferramenta, no processo de furação foi utilizado um planejamento fatorial bk, onde “k” é o número de variáveis de entrada a serem consideradas, que neste caso é igual a 3, e “b” é o número de níveis a serem testados, neste caso, dois. Das três variáveis de entrada, duas são quantitativas (avanço e velocidade de corte) e uma qualitativa (revestimento da broca). No caso do revestimento, são quatro níveis para esta variável (sem revestimento, TiN + TiAlN, TiSiN + TiAlN e TiAlSiN). Sendo assim, dois planejamentos 23 são necessários, conforme é mostrado na tabela 1, que também mostra os níveis para as variáveis. Este planejamento foi utilizado para permitir análises estatísticas dos resultados de outros parâmetros de saída que foram também estudados (forças, potência, temperatura e acabamento), cujos resultados serão apresentados em outros artigos. Desta forma é possível preparar o planejamento dos ensaios, com combinações dos níveis das variáveis, resultando em oito condições de ensaio em cada planejamento, como é mostrado na tabela 2. Na mesma tabela é mostrado que cada revestimento foi testado em quatro condições, e para aumentar o nível de confiabilidade dos resultados, cada ensaio foi replicado três vezes, totalizando assim 24 ensaios (8 x 3) em cada planejamento. Como são dois planejamentos (tabela 2), deveriam ser desenvolvidos 48 ensaios de vida. Entretanto, como havia apenas quatro brocas sem revestimento disponíveis, estas foram testadas uma única vez em cada condição, resultando assim em 40 ensaios.

Tabela 2 – Planejamento fatorial 23 Ensaios/condições Variáveis 1 (C1) 2 (C2) 3 (C3) 4 (C4) 5 (C1) 6 (C2) 7 (C3) 8 (C4)

X1 X2 X3

Resultados e discussões

Na figura 3 são mostrados os resultados dos ensaios de vida das brocas. Para as brocas sem revestimento não houve repetições, portanto, as barras de dispersão não aparecem, e a medição de desgaste foi feita a cada seis furos. Portanto, o eixo horizontal (furos n°) do gráfico (figura 3a) é diferente do eixo dos gráficos das brocas revestidas. Para as brocas revestidas houve repetições, o que gerou cálculos de média e desvios-padrão (figuras 3b, 3c e 3d). Nos testes feitos envolvendo o revestimento TiSiN + TiAlN (figura 3c), em algumas condições, apenas um teste (entre as três réplicas) fez mais furos, não permitindo o cálculo da média. Esses testes estão marcados com um asterisco (*) na curva. Analisando os gráficos da figura 3 observa-se que em todas as condições de ensaio as ferramentas revestidas fizeram muito mais furos (três a quatro vezes mais) que as ferramentas não revestidas. Esse resultado corrobora com a literatura(2, 10). A condição mais severa de desgaste para as ferramentas revestidas é a C3, pois para o revestimento TiN + TiAlN

Figura 3 – Gráficos de vida das ferramentas de corte: a) sem revestimento; b) revestimento TiN + TiAlN; c) revestimento TiSiN + TiAlN; d) revestimento TiAlSiN

Figura 4 – Imagem das brocas após os ensaios em estereomicroscópio com ampliação de 15 x: a) sem revestimento; b) revestimento TiN + TiAlN; c) revestimento TiSiN + TiAlN; d) revestimento TiAlSiN

foi constatado o limite de desgaste com menor quantidade de furos que as outras condições; para o revestimento TiSiN + TiAlN foi necessário interromper os ensaios antes que o valor de desgaste fosse obtido, pois um ruído estridente estava sendo produzido, e se o ensaio fosse continuado, o risco de colapso da ferramenta era eminente. Assim, menos furos foram realizados. O gráfico referente ao revestimento TiAlSiN mostra que estatisticamente o desgaste é o mesmo, entre C1 e C3. Entretanto, C1, em teoria, era para ser a condição que chegaria ao limite de desgaste mais rápido, pois tem a maior velocidade de corte e avanço, mas C3 tem menor avanço, o que resulta em maior tempo de usinagem para realizar um furo, e que consequentemente leva a uma menor quantidade de furos em uma relação/número de furos versus tempo. Outro fator importante a ser considerado é que com um menor avanço, temos uma menor área de contato entre a peça e ferramenta, aumentando a concentração de temperatura próxima à aresta principal. As condições C2 e C4 têm a mesma velocidade de corte, mas a C2 tem maior avanço, o que na relação/número de furos versus tempo produz mais furos que a C4. Entretanto, para os revestimentos TiN + TiAlN e TiSiN + TiAlN observou-se menor desgaste, similar ao C4 para o revestimento TiAlSiN. Analisando as curvas de desgaste e os desvios-padrão dos gráficos, dos revestimentos testados nas condições de corte aqui utilizadas, na usinagem de CGI450, o revestimento TiSiN + TiAlN se mostrou o menos resistente ao desgaste e instável (maiores desvios-padrão). O revestimento TiAlSiN teve curvas e valores de desgaste muito similares para as condições testadas, com instabilidade um pouco mais pronunciada para C1. Porém, o fim de vida ocorreu quando foram feitos 469 furos, e o desgaste não ultrapassou 0,2 mm, independentemente da condição de corte. Observando o desvio-padrão das curvas de desgaste do revestimento TiN + TiAlN, houve maior estabilidade entre os testes de cada curva. Entretanto, a quantidade de furos realizados e o valor de desgaste obtido na C3 mostram que esse revestimento é menos resistente ao desgaste que o revestimento TiAlSiN para esta condição. Entre as condições testadas, a C2 é o melhor parâmetro de usinagem para os revestimentos testados na furação do CGI450. Na

figura 4 são mostradas imagens das brocas após os testes, sendo o revestimento TiAlSiN com 469 furos na condição 1, e, sem revestimento, TiN + TiAlN e TiSiN + TiAlN quando atingiram o limite de desgaste na condição 3, 1 e 1, respectivamente.

Conclusão

Com base na análise dos resultados deste estudo, conclui-se que os resultados consoam com a literatura, validando a afirmativa de que ao revestir a ferramenta de corte com materiais cerâmicos a sua vida é prolongada. Apesar de a condição de corte C1 ter maiores valores de velocidade de corte e avanço, ela não se mostrou a mais severa condição de usinagem com relação ao desgaste da ferramenta, para os revestimentos testados. A condição de corte C3 possui os parâmetros que resultaram em maior desgaste para as ferramentas de corte revestidas. Comparando a composição química dos revestimentos, a adição de silício ao revestimento TiN, formando TiSiN, não proporcionou melhorias à vida da ferramenta de corte. A adição de silício ao revestimento TiAlN, formando TiAlSiN, proporcionou maior resistência ao desgaste. O revestimento TiAlSiN chegou ao limite de furos proposto com aproximadamente 50% do desgaste estipulado como critério de fim de vida, o que evidencia a necessidade de explorar mais este revestimento, ou seja, continuar os testes ou testar esse revestimento em condições com valores de velocidade de corte e avanço maiores, ou em condições mais severas. A condição de corte C2 é estável nos três revestimentos testados, e proporcionou o menor valor de desgaste para os revestimentos TiN +TiAlN e TiSiN + TiAlN.

Agradecimentos

Esta pesquisa somente foi possível graças ao apoio da Gühring, que forneceu as brocas, da Tupy S.A., que forneceu as barras de CGI, da CAPES, pela bolsa de estudo, da Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR), pela infraestrutura e disponibilidade de laboratório, e do Prof. Dr. Álisson Rocha Machado, pela orientação.

Responsabilidade pelas informações Os autores são os únicos responsáveis pelas informações incluídas neste trabalho.

1] Berglund, A., 2011, “Criteria for

Machinability Evaluation of

Compacted Graphite Iron Materials”,

Doctoral thesis. KTH Royal Institute of Technology. Department of

Production Engineering. Stockholm,

Sweden. 2] Black, J.; Kohser, R., 2012,

“DeGarmo’s Materials and Process in Manufacturing”. Ed. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 11Th, 1251 p. 3] Callister Jr., W. D.; Rethwisch, D.

G., 2012, “Ciência e engenharia de materiais: uma introdução”, 8ª edição. LTC. Rio de Janeiro. 808 p. 4] Chiaverini, V., 1996, “Aços e Ferros fundidos”, Associação Brasileira de

Metalurgia e Materiais – ABM. 7°

Referências

Edição, 599 p. 5] Dawson, S.; Hollinger, I.; Robbins,

M.; Daeth, J.; Reuter, U.; Schulz, H., 2014, “The Effect of Metallurgical

Variables on the Machinability of

Compacted Graphite Iron”. Pages 22. Publicação técnica no site da

SinterCast. 6] De Souza, J. A. G.; Sales, W. F.;

Machado, Á. R., 2018. “A review on the machining of cast irons”, The

International Journal of Advanced

Manufacturing Technology, V. 94,

Pages 4073 – 4092. 7] Mocellin, F., 2002, “Avaliação da usinabilidade do ferro fundido vermicular em ensaios de furação”

Dissertação de mestrado, UFSC,

Depto. de Engenharia Mecânica,

Florianópolis – SC. 8] Nayyar, V.; Grenmyr, G.; Kaminski, J.; & Nyborg, L., 2013, “Machinability of compacted graphite iron (CGI) and flake graphite iron (FGI) with coated carbide”, International Journal of

Machining and Machinability of

Materials, V. 13. Pages 67 – 90. 9] Pimentel, R., 2014, “Melhoria do processo de furação de ferro fundido cinzento com brocas helicoidais de metal-duro”, Dissertação de mestrado, UFSC. Depto. de

Engenharia Mecânica, Florianópolis – SC. 10] Santos, S. C.; Sales, W. F., 2007,

“Aspectos tribológicos da usinagem dos materiais”. Artliber editora. São

Paulo – SP – Brasil.

Centro de usinagem em novo modelo

A Romi (Santa Bárbara d’Oeste,SP) integrou recentemente ao seu portfólio a linha de centros de usinagem Romi D, à qual pertence o modelo 1250 (foto). Este equipamento possui CNC Fanuc Oi-MF Plus i-HMI e cabeçote com motor acoplado diretamente ao cartucho, além de trocadores rápidos de ferramentas e magazine que pode comportar até 30 itens. Ele é comercializado em versões com velocidade máxima de trabalho de 10.000 ou 15.000 rpm. Seu eixo-árvore (ISO 40) é apoiado em mancais de rolamento de alta precisão e, segundo a empresa, o cone do eixoárvore é preparado para mandril do tipo BT/BBT. O eixo-árvore conta com sistema pneumático de limpeza, que foi concebido de forma a evitar a parada de cavacos nesta área. O equipamento apresenta avanço rápido de 40 m/min e possui mesa com dimensões de 1.320 x 560 mm.

Quebra-cavaco para usinagem de alumínio

de ferramentas do tipo “quebra-cavaco” que é indicada para a usinagem de alumínio e demais materiais não ferrosos. A pastilha de torneamento, projetada com geometria AL – especial para a usinagem de alumínio – classe ISO, é recomendada para operações de usinagem intermediária e de acabamento, e está disponível em duas categorias: em metal duro microfino sem revestimento (WU10HT) ou com revestimento por deposição física de vapor (PVD) de AlTiN (WU05PT). Cada uma delas estará disponível em formatos convencionais como C, D, R, T e V. Segundo a empresa, as ferramentas possuem uma aresta de corte altamente polida, que melhora o fluxo de cavacos, resultando em maior produtividade por dispensar a remoção manual dos cavacos após o corte.

Equipamento para soldagem de peças usinadas

A Perfect Welding, uma divisão da companhia de origem austríaca Fronius, com filial situada em São Bernardo do Campo (SP), fornece o sistema de soldagem tandem da linha TPS/i Twin, que recentemente ganhou novos recursos e passou a ser comercializado no mercado brasileiro. A versão atualizada do equipamento é indicada para a soldagem de peças produzidas por usinagem feitas em aço, alumínio ou em outras ligas metálicas, podendo ser usada para a união de componentes e/ou para a realização de reparos em ferramental como preenchimento de trincas ou de baixos relevos oriundos de gravações, por exemplo. O sistema apresenta características técnicas como velocidade de soldagem de aproximadamente 30 metros de fio por minuto, taxa de deposição de material que pode chegar a até 25 kg por hora e velocidade de deslocamento da tocha de até 4 metros por minuto. Um dos recursos do equipamento é o Twin Drive, que garante uma boa estabilidade durante a operação de fornecimento de calor.

Discos abrasivos para o setor metalmecânico

O Apex Tool Group (Sorocaba, SP), com matriz nos Estados Unidos, fornece linhas de equipamentos recomendados para trabalhos complementares à usinagem e ao fresamento. Tratase de ferramentas que podem ser usadas para a realização de reparos em peças usinadas como, por exemplo, nivelamento de cordão de solda e remoção de rebarbas. A companhia oferece os discos abrasivos pertencentes à marca Sata, que são comercializados em versões com diâmetro de 115 mm (4. ½ pol.), 180 mm (7 pol.) e 230 mm (9 pol.), com espessura de 1,0, 1,6 e 2,0 mm. Todos apresentam diâmetro interno de 22 mm.