Desgaste de broca helicoidal de metal duro na furação de aço ferramenta VF 800 AT

Dentre todos os processos de transformação mecânicos empregados na manufatura, a furação é uma das operações mais utilizadas, envolvendo severas condições de corte. Entender e atuar sobre essas condições pode resultar em elevados ganhos de produtividade.

Os processos de usinagem são muito importantes no cenário da economia atual, pois tornam possível a confecção de peças de geometria complexa de uma maneira rápida e barata, empregam milhares de pessoas, e são mundialmente utilizados. Devido a essa importância e à sua vasta utilização, muitas pesquisas nesta área têm sido realizadas visando reduzir os custos de produção e melhorar a qualidade do produto.

Os processos de usinagem por furação, somavam um total de 33% das usinagens realizados na década de 90, dentre os processos de torneamento, fresamento, retificações e outros. A figura 1 ilustra os percentuais de cada processo.


Figura 1 - Participação percentual dos processos de usinagem


O aço VF-800AT é um aço voltado para aplicações que necessitam elevada resistência ao desgaste, elevada tenacidade e dureza. Desta forma, é utilizado nas indústrias como principal aplicação na fabricação de matrizes e punções de ferramentas devido sua baixa fragilidade a trincas e deformações durante e após os processos de usinagem, sendo utilizado em operações que envolvem aplicações abaixo de 250º.

Devido a sua composição química, as principais características apresentadas pelo aço VF800 AT são: elevada temperabilidade, elevada resistência ao amolecimento pelo calor, boa resistência ao desgaste em temperaturas elevadas, excelente tenacidade, boa usinabilidade entre os aços-ferramenta, excelente resistência a choques térmicos devidos aos aquecimentos e resfriamentos contínuos, fazendo com que o surgimento de trincas térmicas seja reduzido.

Portanto, o objetivo deste trabalho é analisar o desgaste ocorrido em brocas helicoidais de metal duro utilizadas no processo de furação do aço ferramenta VF 800AT e avaliar em estudos futuros, a possibilidade de melhorar o rendimento, alterando parâmetros, concentrações de óleos, aumentando profundidade de furo até o limite da broca e realizando testes até o final da vida útil das mesmas.

Material e Métodos 

As atividades realizadas neste estudo foram executadas de acordo com o fluxograma apresentado na figura 2. O estudo foi realizado em duas etapas, sendo que na primeira etapa, após obter os parâmetros inicias de usinagem, parâmetros de medição, e definição do fluxo do trabalho, foi realizado o experimento garantindo que as variáveis mencionadas abaixo ocorressem da melhor forma. Posteriormente, foi dado início a segunda etapa, continuando o trabalho iniciado na etapa 1 até a fase final do teste.


Figura 2 - Fluxograma das etapas do estudo



A ferramenta aplicada nos testes de furação foi a broca helicoidal de metal duro, marca Sandvik Coromant, modelo 860.1-0910-045450-A1-PM 4234. A classe do metal duro é K15, pois esse substrato de metal duro contém fase gama, com boa resistência ao desgaste e oxidação. O revestimento dessas ferramentas é o nitreto de alumínio e cromo (AlCrN) que possui micro dureza de 3.200 HV. Esse revestimento proporciona uma excelente resposta às elevadas tensões mecânicas e térmicas do processo de furação. Na figura 3 são ilustradas as principais dimensões e detalhes da geometria.

Figura 3 - Geometria e dimensões da broca modelo Coromant 860


Os testes de usinagem por furação foram realizados utilizando o centro de usinagem vertical modelo VCN510, da marca Mazak, sendo que a máquina possui cursos de operação de 610 x 610 x 1.060 mm (X, Y, Z), equipada com eixo-árvore de 12.000 rpm e potência do motor principal de 11 kW. Para reduzir ao máximo os efeitos da fixação na ferramenta nos resultados do ensaio, foi utilizado um mandril de fixação hidráulica marca Schunk, modelo Tendo-E, com diâmetro de sujeição de 20 mm, equipado com pinça de redução do tipo selada 20-10.

As medições das geometrias 2D e 3D das brocas foram realizadas utilizando a máquina de medição micrométrica, modelo Venturion 450/6 da marca Zoller. Para aquisição das imagens da máquina Zoller, foi utilizada uma lupa eletrônica da marca Dino-Lite, modelo AM4115ZTL com faixa de ampliação de 40 vezes. As imagens tiradas, posteriormente são utilizadas na análise dos dados. Detalhes do aparato experimental podem ser visualizados na figura 4.

Figura 4 - Aparato para medição do desgaste em brocas helicoidais


Resultados e Discussão 

A broca utilizada nos ensaios apresentou um padrão de desgaste contínuo. As marcas de desgaste começaram a surgir a partir dos 100 furos executados e se concentraram no gume principal. As marcas características de desgaste de flanco foram evoluindo com o aumento da solicitação térmica e do ataque abrasivo do material da peça. O desgaste de flanco começou a se acentuar a partir da execução de 240 furos, de forma regular.  

A figura 5 mostra a evolução do desgaste da broca, até completar 500 furos (15 metros lineares de furação), não chegando ao final de vida útil da broca conforme estipulado por norma ISO 3685:1993, onde o desgaste que caracteriza o final da vida útil da broca é de 0,30 mm uniforme a aresta de corte. Desta forma, foi necessário a utilização de métodos estatísticos para avaliação do critério de vida útil da broca.


Figura 5 - Detalhes do desgaste em vista lateral da broca


A broca apresentou inicialmente a adesão de material. Essa adesão em nenhum momento foi expressiva e se concentrou principalmente na superfície de saída do gume transversal. À medida que os testes avançavam, começaram a aparecer pequenas marcas de desgaste de flanco e adesão de material concentradas no gume principal da broca. 

Após começar a surgir as marcas de desgaste, os mesmos foram evoluindo de forma lenta até serem atingidos os 500 furos. A figura 6 apresenta a vista de topo da broca com a progressão do desgaste.

Figura 6 - Detalhes do desgaste na vista de topo da broca


Sob todos os efeitos analisados, não foi possível verificar influência do revestimento de nitreto de cromo e alumínio (AlCrN) sobre os resultados apresentados, pois nas análises microscópicas não foram visualizados problemas como desplacamento ou remoção do revestimento pelos efeitos do processo de furação.

Na figura 7 estão plotados valores médios do desgaste, assim como a linha de tendência, que descreve a equação da reta imposta para esse comportamento.


Figura 7 - Curva de tendência do desgaste da ferramenta no aço VF800 AT

 

A equação da reta, definida pela tendência linear exposta na figura 7, permite estimar o final da vida útil para a ferramenta, sendo ela calculada conforme norma ISO 3685:1993, onde se estima o VBmáx. (largura máxima de desgaste de flanco) de 0,3mm em tendência média e 0,6 mm em picos.

Y = 0,0073x – 0,0125

Onde:

y = Desgaste de flanco máximo admitido [mm];

x = Comprimento máximo de furação [m].


Aplicando a equação, nas condições de VBmáx = 0,3 mm, é possível calcular a estimativa de vida final da ferramenta, conforme apresentado a seguir:

 y = 0,0073x – 0,0125

0,30 = 0,0073x – 0,0125

0,30 + 0,0125 = 0,0073x

x = 0,3125/0,0073

x = 42,8 m 1.284 furos

Conforme indicado pelos resultados das equações, é possível estimar que o final de vida útil para as ferramentas, utilizando VBmáx = 0,3 mm, seria quando estas executassem 1.284 furos, ou seja, 42,8 metros lineares. 

Conclusão 

Através da metodologia utilizada para determinação do desgaste de broca helicoidal de metal duro na usinagem por furação do aço ferramenta VF800 AT, foi possível obter uma série de conclusões, dentre elas:

· Observar e identificar os fatores que influenciam no desgaste de ferramentas de corte, definindo desta forma, a curva de desgaste da ferramenta;


· O desgaste de quina foi predominante nos ensaios, sendo ocasionado, principalmente, pelo mecanismo de abrasão. Além disso, também se verificou a aderência de material sobre o gume e sobre a quina das ferramentas e;


· O trabalho foi de fundamental importância para o conhecimento sobre usinagem e as causas que determinam a vida útil de uma ferramenta de corte, possibilitando assim, atingirmos nosso objetivo de identificar em forma de gráficos, a curva de vida de uma ferramenta.

 

Agradecimentos 

Os autores agradecem às empresas Bruning Tecnometal pelo apoio e colaboração no que diz respeito a este projeto.

Co-autores

João Henrique Corrêa de Souza - [email protected]

Richard Stiegemeier - [email protected]

Angélica Paola Lopes de Oliveira - [email protected]

Augusto César dos Santos - [email protected]

Tags
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Diego Tolotti de Almeida

Engenheiro Mecânico pela UNIJUI - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, Mestre em Ciência e Tecnologia dos Materiais pela UFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul com ênfase no Processo de Soldagem por Fricção.