Ferramenta de fresagem CNC o desgaste é uma das proposições mais básicas no processamento de corte. Definir e entender o desgaste da ferramenta pode ajudar os fabricantes e usuários de ferramentas a estender a vida útil da ferramenta. As tecnologias de revestimento de ferramentas de hoje oferecem um meio eficaz para estender ainda mais a vida útil da ferramenta, ao mesmo tempo em que aumentam significativamente a produtividade.
Mecanismo de desgaste de ferramentas de usinagem CNC
Calor e atrito são formas de energia geradas no corte de metal. O calor e o atrito gerados por altas cargas superficiais e a alta velocidade do cavaco deslizando ao longo da face de inclinação da ferramenta colocam a ferramenta em um ambiente de usinagem muito desafiador.
A magnitude das forças de corte tende a flutuar, dependendo de diferentes condições de usinagem (como a presença de componentes duros no material da peça ou corte interrompido). Portanto, para manter sua resistência sob altas temperaturas de corte, a ferramenta deve ter algumas características básicas, incluindo excelente tenacidade, resistência ao desgaste e alta dureza.
Embora a temperatura de corte na interface ferramenta/peça de trabalho seja o fator-chave que determina a taxa de desgaste de quase todos os materiais de ferramentas, é muito difícil determinar o valor do parâmetro necessário para calcular a temperatura de corte. No entanto, os resultados das medições de teste de corte podem estabelecer a base para alguns métodos empíricos.
Pode-se geralmente assumir que a energia gerada no corte é convertida em calor, e geralmente 80% desse calor é levado pelos cavacos (essa proporção varia dependendo de vários fatores – especialmente a velocidade de corte). Os 20% restantes ou mais são transmitidos para a ferramenta. Mesmo ao cortar aços moderadamente duros, a temperatura da ferramenta pode exceder 550 °C, que é a temperatura máxima que o aço rápido pode suportar sem reduzir sua dureza. Ao cortar aço endurecido com ferramentas de nitreto de boro cúbico policristalino (PCBN), a temperatura da ferramenta e dos cavacos geralmente excederá 1000 °C.
Desgaste da ferramenta de corte e vida útil da ferramenta
O desgaste da ferramenta geralmente inclui os seguintes tipos: desgaste de flanco; desgaste por ranhuras; desgaste por crateras; embotamento da aresta de corte; lascamento da aresta de corte; rachaduras na aresta de corte; falha catastrófica.
Não há uma definição universalmente aceita de vida útil da ferramenta, que geralmente depende de diferentes peças de trabalho e materiais de ferramentas, bem como de diferentes processos de corte. Uma maneira de analisar quantitativamente o ponto final da vida útil da ferramenta é definir um limite de desgaste de flanco máximo aceitável (denotado por VB ou VBmax). A vida útil da ferramenta pode ser expressa pela fórmula de Taylor para a vida útil esperada da ferramenta, ou seja,
VcTn=C
Uma forma mais comum desta fórmula é
VcTn×Dxfy=C
Onde Vc é a velocidade de corte; T é a vida útil da ferramenta; D é a profundidade de corte; f é a taxa de avanço; x e y são determinados experimentalmente; n e C são constantes determinadas a partir de experimentos ou dados técnicos publicados, que representam as características do material da ferramenta, da peça de trabalho e da taxa de avanço.
O desenvolvimento contínuo de substratos de ferramentas ideais, revestimentos e tecnologias de preparação de arestas de corte é essencial para limitar o desgaste da ferramenta e resistir a altas temperaturas de corte. Esses fatores, juntamente com o quebra-cavacos e o raio do arco de canto usado na pastilha indexável, determinam a adequação de cada ferramenta para diferentes peças de trabalho e operações de corte. A melhor combinação de todos esses fatores pode estender a vida útil da ferramenta e tornar as operações de corte mais econômicas e confiáveis.
Alterando a base da ferramenta
Ao alterar o tamanho de partícula do carboneto de tungstênio na faixa de 1-5 µm, os fabricantes de ferramentas podem alterar as propriedades da matriz das ferramentas de carboneto. O tamanho de partícula do material base desempenha um papel importante no desempenho de corte e na vida útil da ferramenta. Quanto menor o tamanho de partícula, melhor a resistência ao desgaste da ferramenta. Ao contrário, quanto maior o tamanho de partícula, mais forte e resistente a ferramenta. A matriz de granulação fina é usada principalmente para lâminas que processam materiais de grau aeroespacial (como liga de titânio, liga Inconel e outras ligas de alta temperatura).
Além disso, aumentando o teor de cobalto dos materiais de ferramentas de carboneto cimentado em 6%-12%, melhor tenacidade pode ser obtida. Portanto, o teor de cobalto pode ser ajustado para atender aos requisitos de um processo de corte específico, seja esse requisito tenacidade ou resistência ao desgaste.
O desempenho da matriz da ferramenta também pode ser aprimorado pela formação de uma camada rica em cobalto perto da superfície externa, ou pela adição seletiva de outros elementos de liga (como titânio, tântalo, vanádio, nióbio, etc.) ao material de carboneto cimentado. A camada rica em cobalto pode aumentar significativamente a resistência da aresta de corte, melhorando assim o desempenho de ferramentas de desbaste e corte interrompido.
Além disso, ao selecionar uma matriz de ferramenta que corresponda ao material da peça de trabalho e ao método de processamento, cinco outras propriedades da matriz também são consideradas: tenacidade à fratura, resistência à fratura transversal, resistência à compressão, dureza e resistência ao choque térmico. Por exemplo, se uma ferramenta de carboneto apresentar lascamento ao longo da aresta de corte, um material base com maior tenacidade à fratura deve ser usado. No caso de falha direta ou dano à aresta de corte da ferramenta, a solução possível é usar um material base com maior resistência à fratura transversal ou maior resistência à compressão. Para situações de usinagem com temperaturas de corte mais altas (como corte a seco), materiais de ferramenta com maior dureza geralmente devem ser preferidos. Em situações de usinagem onde podem ser observadas trincas térmicas na ferramenta (mais comum em fresamento), é recomendado usar materiais de ferramenta com melhor resistência ao choque térmico.
Otimizar e melhorar o material base da ferramenta pode melhorar o desempenho de corte da ferramenta. Por exemplo, o material base da lâmina Sumo Tec da Iscar para usinagem de peças de aço tem melhor resistência à deformação plástica, o que pode reduzir a possibilidade de microfissuras no revestimento duro e quebradiço da lâmina. Por meio do processamento secundário das lâminas Sumo Tec, a rugosidade da superfície e as microfissuras de seu revestimento são reduzidas, reduzindo assim o calor de corte na superfície da lâmina e a deformação plástica e as microfissuras resultantes. Além disso, uma nova base para insertos para usinagem de ferro fundido tem melhor resistência ao calor, permitindo maiores velocidades de corte.
Escolha o revestimento correto
Os revestimentos também ajudam a melhorar o desempenho de corte da ferramenta. As tecnologias de revestimento atuais incluem:
- Revestimento de nitreto de titânio (TiN): Este é um revestimento PVD e CVD de uso geral que pode aumentar a dureza e a temperatura de oxidação da ferramenta.
- Revestimento de carbonitreto de titânio (TiCN): Ao adicionar elemento de carbono ao TiN, a dureza e o acabamento superficial do revestimento são melhorados.
- Revestimentos de nitreto de alumínio e titânio (TiAlN) e nitreto de alumínio e titânio (AlTiN): A aplicação composta de camada de óxido de alumínio (Al2O3) e esses revestimentos podem melhorar a vida útil da ferramenta em processos de corte de alta temperatura. Os revestimentos de óxido de alumínio são particularmente adequados para corte a seco e quase seco. Os revestimentos de AlTiN têm um teor de alumínio mais alto e têm dureza de superfície mais alta do que os revestimentos de TiAlN, que têm um teor de titânio mais alto. Os revestimentos de AlTiN são comumente usados para corte de alta velocidade.
- Revestimento de nitreto de cromo (CrN): Este revestimento tem melhores propriedades antiaderentes e é a solução preferida para combater arestas postiças.
- Revestimento de diamante: O revestimento de diamante pode melhorar significativamente o desempenho de corte de ferramentas para processamento de materiais não ferrosos, e é muito adequado para processamento de grafite, compósitos de matriz metálica, ligas de alumínio com alto teor de silício e outros materiais altamente abrasivos. No entanto, o revestimento de diamante não é adequado para processamento de peças de aço porque sua reação química com o aço destruirá a adesão entre o revestimento e o substrato.
Nos últimos anos, a participação de mercado de ferramentas revestidas com PVD se expandiu, e seu preço é comparável ao das ferramentas revestidas com CVD. A espessura do revestimento CVD é geralmente de 5-15 µm, enquanto a espessura do revestimento PVD é de cerca de 2-6 µm. Quando aplicados a um substrato de ferramenta, os revestimentos CVD criam tensões de tração indesejáveis; os revestimentos PVD contribuem para tensões compressivas benéficas no substrato. Revestimentos CVD mais espessos geralmente reduzem significativamente a resistência das arestas de corte da ferramenta. Portanto, os revestimentos CVD não podem ser usados em ferramentas que exigem arestas de corte muito afiadas.
O uso de novos elementos de liga no processo de revestimento pode melhorar a adesão e o desempenho do revestimento.
Preparação de ponta
Em muitos casos, a preparação da aresta de corte (ou passivação da aresta) do inserto se tornou o divisor de águas que determina o sucesso ou fracasso do processo de usinagem. Os parâmetros do processo de passivação precisam ser determinados de acordo com os requisitos específicos de processamento. Por exemplo, os requisitos de passivação da aresta do inserto usado para acabamento de alta velocidade de peças de aço são diferentes daqueles do inserto usado para desbaste. A passivação da aresta pode ser aplicada a insertos para usinagem de quase qualquer tipo de aço carbono ou aço de liga, mas sua aplicação é um tanto limitada a insertos para usinagem de aço inoxidável e ligas especiais. A quantidade de passivação pode ser tão pequena quanto 0,007 mm ou tão grande quanto 0,05 mm. Para melhorar a aresta de corte em condições severas de usinagem, a passivação da aresta também pode formar uma pequena faixa com nervuras em T.
Em geral, insertos usados para operações de torneamento contínuo e fresamento da maioria dos aços e ferros fundidos requerem um alto grau de passivação de aresta. A quantidade de passivação depende do grau de carboneto e do tipo de revestimento (revestimento CVD ou PCD). Para insertos com operações pesadas de corte interrompido, a passivação pesada de aresta ou o processamento de bandas com nervuras em T tornou-se um pré-requisito. Dependendo do tipo de revestimento, a quantidade de passivação pode ser próxima a 0,05 mm.
Em contraste, como as pastilhas para usinagem de aço inoxidável e ligas de alta temperatura são propensas a arestas postiças, a aresta de corte precisa permanecer afiada e pode ser apenas ligeiramente passivada (tão pouco quanto 0,01 mm), ou mesmo uma quantidade menor de passivação pode ser personalizada. Da mesma forma, as pastilhas para usinagem de ligas de alumínio também exigem arestas de corte afiadas. As arestas de corte em espiral podem suportar maiores cargas de corte, atingir maiores taxas de remoção de metal e reduzir o estresse. Outra vantagem das arestas de corte em espiral é que elas podem estender a vida útil da ferramenta devido à redução da pressão de corte e do calor de corte atuando na ferramenta.
