Usinagem do Titânio 1

Usinagem do Titânio 1

O Mundo da Usinagem16

Marcos Roberto Vargas Moreira Elias Alves da Cunha Hideyuki Okimura Marcos Valério Ribeiro Laboratório de Estudos da Usinagem Departamento de Engenharia de Materiais – FAENQUIL Lorena - SP

A usinagem de metal é um processo complexo devido aos vários parâmetros de corte envolvidos no processo. Além disso, as propriedades deste material têm grande influência na sua deformação. Ligas de titânio são classificadas como “ materiais de difícil usinagem”, devido a algumas propriedades tais como baixa condutividade térmica (7 W/m K) e alta reatividade química com a maioria dos materiais de ferramentas de corte. As ligas alfa-beta são amplamente usadas na fabricação de turbina de aeronave devido às excelentes propriedades mecânicas como resistência mecânica e a corrosão à altas temperaturas.

Consideramos aqui a influência dos parâmetros de corte (velocidade de corte e classes de ferramentas) em operações de acabamento, usando carbeto cementado, estudando o desgaste da ferramenta, rugosidade da peça e morfologia do cavaco formado.

O titânio apresenta duas formas alotrópicas, uma estrutura cristalina hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente, chamada fase alfa (), que se transforma alotropicamente para cúbica de corpo centrado (C), chamando-se fase beta (), a 882 ºC .

A presença de elementos de liga estabilizam uma ou outra dessas estruturas: elementos de liga que favorecem a fase (elementos alfagênicos) aumentam a temperatura de transformação alotró- pica e incluem os metais do grupo I-A e IV-A (como o alumínio, gálio e estanho) e elementos intersticiais ou não-metais (como o boro, carbono, oxigênio e nitrogênio). Elementos de liga que favorecem a fase () (elementos betagênicos) reduzem a temperatura de transformação alotrópica e incluem os metais de transição do grupo IV como vanádio, nióbio e tântalo.

A usinagem da liga de titânio é muito dificultada pela sua alta reatividade química com os materiais da ferramenta e sua baixa condutividade térmica (aproximadamente 7,3 W/m K) gerando alta temperatura na interface cavaco/ferramenta/peça (Bhaumik, 1995), favorecendo os mecanismos de difusão. Segundo Ezugwo (1997), cerca de 80% do calor gerado fica retido na ferramenta e 20% no cavaco.

Segundo Siemers (2001) e Komanduri (1983), o cavaco da liga Ti-6Al-4V é sempre do tipo segmentado, independente das condições de corte.

Estas ligas se caracterizam por um grande custo na fabricação destas peças quando usinadas e um dos maiores motivos deste elevado custo é o custo hora/máquina. Assim, é interessante diminuir os tempos de usinagem das

Figura 1

Sandvik Coromant do Brasil17 peças pois os custos na indústria aeronáutica são mais elevados do que nas indústrias convencionais. A escolha da ferramenta adequada para uma determinada operação e a determinação correta das condições de usinagem representam um papel importante no trabalho com metais. Isso se acentua na produção seriada, onde divergências na escolha da velocidade de corte e ferramenta podem acarretar variações notáveis nos custos de fabricação. A correlação entre vida e otimização do processo é muito importante, pois o fator custo adquire um caráter de extrema importância neste cenário de intensa competitividade no qual qualidade e produtividade são itens fundamentais.

A liga Ti-6Al-4V é muito utilizada na indústria aeronáutica, principalmente na fabricação de motores, devido a algumas propriedades como resistência/peso, resistência à fluência, resistência à fadiga, resistência à corrosão em altas temperaturas, etc. Os cálculos relativos ao comprimento de corte Lci, referente à velocidade de corte vci, aos coeficientes x e K de Taylor, vmxp e os custos foram realizados com o auxílio de softwares desenvolvidos no laboratório de estudo da usinagem LEU. Foram investigados os efeitos da velocidade nos mecanismos de desgaste da ferramenta e no cavaco obtido.

Os testes de usinagem foram realizados em torneamento cilindrico externo da liga Ti-6Al- 4V utilizando ferramentas VBMT 110304 PF classe ISO P10 (Sandvik CT 5015), VBMT 110304 MF classe ISO M15 (Sandvik GC 1025) com cobertura de TiAlN (PVD) e espessura de 4 e VBMT 110304 UF classe ISO S15 (Sandvik). A velocidade de corte variou de 85 a120 m/min, fixando o avanço em 0,1 m/volta e profundidade de usinagem de 0,5 m sem fluido de corte. As ferramentas apresentam ângulo de posição de 91º e raio de ponta de 0,4 m. A temperatura na interface ferramenta/peça foi medida utilizando pirômetro de radição infra-vermelho modelo Cyclops-52 e a caracterização das ferramentas e dos cavacos foi realizada utilizando microscópio eletrônico de varredura (MEV) LEO, modelo 1450-VP e microscópio ótico modelo DM com analizador de imagem Leica QWIN para análise de microestrutura e morfologia. Todos os testes foram realizados em torno CNC Romi de rotação máxima de 4000 rpm e potência máxima de 10KW. A rugosidade foi medida utilizando um rugosímetro portátil acoplado ao torno, com medidas defasadas em intervalos de 60º com relação ao eixo da peça. A rugosidade máxima foi de 0,9 .

Dos três critérios normalmente usados para discutir usinabilidade e fim de vida da ferramenta: rugosidade da superfície, desgastes e potência exigida para o corte; utilizamos como critério de fim de vida, a rugosidade.

Foram realizadas três séries de testes de usinagem da liga Ti-6Al-

Rugosidade obtida: a) ISO S15, b) ISO P10, c) ISO M15

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A - ISO S15 – 85 m/minB - ISO S15 – 100 m/minC - ISO S15 – 120 m/min

4V e medida a rugosidade. As figuras (1a, 1b e 1c) mostram o efeito da velocidade de corte na rugosidade superficial. Duas regiões distintas são observadas na figura 1(a), usando ferramentas classe ISO S15. Na primeira região observa-se uma tendência progressiva similar nas condições de 85 e 100 m/min com comprimento de corte de 700 m

(Ramáx=0,9 ). O segundo aspecto está relacionado com a ve- locidade de 120 m/min com aumento severo da rugosidade de 3 com uma vida útil muito curta, por volta de 120m.

O excessivo aumento da rugosidade é observado usando ferramenta ISO P10, fig 1(b) acima de 120 m/min. Somente com velocidade de 85 m/min (lc=170 m) a rugosidade foi abaixo de 0,9

. Como observado na figura 1(c), usando ferramenta classe ISO M15, há uma tendência à diminuição da rugosidade durante a usinagem nas duas ferramentas testadas. No caso da condição de 100 m/min, em particular, foi atingido um valor mínimo de rugosidade de 0,6 e porterior aumento para 1,8 . Este fato pode ser explicado devido à deformação da aresta de corte, figuras 2(h) e 2(i).

As figuras 2(a), 2(b) e 2(c) mostram o desgaste da ferramenta usando metal duro com velocidade de 85 m/min, 100 m/min e 120 m/min. Desgaste de cratera foi observado em todas as condições devido à adesão e posterior remoção de material aderido na superfície de saída do cavaco. O desgaste de flanco ocorre principalmente devido ao atrito entre a superfície de folga e a peça e à remoção de partículas do material da ferramenta, que eventualmente estejam aderidos ao cavaco e em função da passagem deste sejam arrancadas.

Observa-se um desgaste mais acentuado para ferramentas clas- se ISO P10, figuras 2(d), 2(e) e 2(f) com adesão de cavaco na aresta de corte nas três condições, porém não é observada deformação plástica na aresta da ferramenta. Nas figuras 2(g), 2(h) e 2(i) observa-se lascamento e adesão do cavaco na

D - ISO P10 – 85 m/minE - ISO P10 – 100 m/minF - ISO P10 – 120 m/min

G - ISO M15 – 85 m/minH - ISO M15 – 100 m/minI - ISO M15 – 120 m/min Desgaste das ferramentas utilizando diferentes velocidades de corte.

Cavaco formando utilizando três classes de ferramenta. A - ISO S15 – 85 m/minB - ISO M15 – 85 m/minC - ISO P10 – 85 m/min

Figura 2

Figura 3

[ P P P P rodutividade rodutividaderodutividade rodutividade rodutividade ]

Sandvik Coromant do Brasil19 superfície da ferramenta.

Após a análise das micrografias, é possível observar que a menor deterioração da aresta de corte ocorre nas ferramentas da classe ISO S15, com melhores resultados de rugosidade. Por outro lado, as outras ferramentas de corte, P10 e M15, apresentaram grande grau de deterioração na aresta de corte, em especial da classe M15 com grande desgaste de flanco, lascamento e deformação plástica. Na figura 3 pode ser observa- do o cavaco gerado na condição de corte de 85 m/min para as três classes de ferramenta, com uniformidade nas bandas de cisalhamento e nos segmentos formados, distinguindo as bandas de cisalhamento primária e secundária.

Como pode ser notado pelos resultados obtidos, a natureza do cavaco formado influencia na qualidade da superfície usinada, no desgaste da ferramenta e no calor gerado durante a operação de corte. Pode ser possível identificar uma relação entre a deformação do cavaco e a qualidade da usinagem, com uma baixa rugosidade e o calor gerado.

Em especial à FAPESP e à CA-

PES pelo apoio financeiro e à Sandvik Coromant pelo suporte material e técnico.

Bhaumik, S.K., Material and design, 16 (1995) 221. Ezugwo, E.O.; Wang, Z.M., Journal of Material Processing Technology, v.68, p. 262-274, 1997. Siermes, C.; Mukherji, D.; Baker, M.; Rosler, J.; Z. Metallkd, march, 2001. Komanduri, R.; Reed, W., Wear, v.92, p.113-123,1983.

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