O desenvolvimento de cerâmica pura fresas abriu novas perspectivas para a usinagem de materiais de liga à base de níquel. Em comparação com ferramentas de metal duro, as ferramentas totalmente cerâmicas podem aumentar a eficiência da usinagem em oito vezes.
O progresso tecnológico e o desenvolvimento contínuo no campo da ciência dos materiais continuam a promover a capacidade e a eficiência da usinagem de peças complexas. O uso de ligas à base de níquel pode melhorar significativamente a eficiência geral das turbinas a vapor. Rodas de caçamba monocristalinas para turbinas a vapor, feitas de ligas à base de níquel, são equipadas com um complexo sistema de ranhuras de resfriamento e camada isolante cerâmica e podem ser utilizadas em temperaturas de até 1450 °C. Essas propriedades mecânicas e de resistência ao calor exclusivas impõem grandes exigências à usinagem. Somente na usinagem de uma unidade de propulsão a jato, são necessárias cerca de 3.000 pastilhas de indexação, enquanto, em contraste, apenas duas pastilhas de indexação são necessárias, em média, para a fabricação de um carro.
Permitir velocidades de corte mais altas
Ligas à base de níquel apresentam alta resistência ao calor e baixa condutividade térmica, o que pode causar altas temperaturas na superfície de corte. Isso causa o amolecimento do material de corte. Devido à presença de carbonetos facilmente abrasivos em sua microestrutura, a ferramenta tende a falhar sob condições de temperatura e sobrecarga mecânica. Ferramentas de metal duro revestidas funcionam de forma estável apenas em velocidades de corte abaixo de 20 m/min. Diversos testes demonstraram que as velocidades de corte podem ser aumentadas de 30 a 50 vezes ao cortar com materiais cerâmicos. O fator-chave é a excelente resistência ao calor da cerâmica.
Dessa forma, a temperatura pode ser elevada a um nível suficientemente alto durante o processo de corte para amolecer o material da peça e facilitar o corte. Isso permite a entrada no campo da tecnologia de corte de alta velocidade (HSC). Fresas compatíveis com pastilhas intercambiáveis de materiais cerâmicos já estão disponíveis no mercado, e tais ferramentas também podem ser utilizadas para usinagem de desbaste de rodas de caçamba de turbinas. No entanto, por questões de projeto, o tamanho mínimo da ferramenta ainda é limitado. O diâmetro da menor ferramenta comercial atualmente é de 32 mm. Para tarefas de usinagem que exigem diâmetros de ferramenta menores ou contornos de corte complexos, além de ferramentas de metal duro e ferramentas de HSS, também podem ser utilizadas retificação e corte com fio.
Uma comparação entre ferramentas de metal duro revestidas e não revestidas comumente disponíveis no mercado com as ferramentas de cerâmica desenvolvidas em termos de curso padrão e volume de corte por unidade de tempo mostra que a produtividade pode ser aumentada oito vezes usando fresas totalmente cerâmicas.
A aplicação das capacidades de corte de materiais cerâmicos modernos a essas aplicações tornou-se um foco de pesquisa do Instituto Fraunhofer de Produção e Tecnologia de Construção (IPK) em Berlim. Já em 2006, os primeiros modelos de fresas cerâmicas para teste foram produzidos no projeto "Cercut" da Fraunhofer-Allianz High Performance Ceramics. Essas ferramentas têm se mostrado bem-sucedidas em aplicações experimentais. Diante da resposta positiva de fabricantes e usuários de ferramentas, o instituto conjunto continuará a impulsionar o trabalho de desenvolvimento já realizado.
Promovendo o desenvolvimento de ferramentas de corte totalmente cerâmicas
Em janeiro de 2008, foi lançado o projeto "Tech-Volk". Desde então, a equipe do projeto tem trabalhado arduamente no desenvolvimento de fresas totalmente cerâmicas com perfis de corte adequados para a aplicação. Como os diversos parceiros do projeto têm seus próprios pontos fortes e focos de trabalho, todo o processo pode ser considerado abrangente. Da produção de blanks cerâmicos, à aplicação de estratégias de retificação e ao processamento de ferramentas de retificação, até o corte de peças específicas em modernos centros de usinagem HSC, os materiais das peças variam de ligas de forjamento à base de níquel, como Nimonic 90, a ligas fundidas, como MAR M247.
Para se adaptar às condições de carga do complexo processo de fresamento HSC, os materiais de corte devem atender a certos requisitos especiais. Interrupções no processo de corte podem levar a grandes variações de carga e flutuações de temperatura na aresta de corte. Durante certos intervalos de tempo, a aresta de corte pode não estar no estado de corte, e a temperatura da superfície da aresta de corte esfria mais facilmente do que a temperatura dentro da camada central. Devido à diferença nos estados de expansão térmica, tensões de tração são formadas na área da aresta da ferramenta, o que pode facilmente levar à formação de trincas.
Cerâmicas são mais sensíveis a tensões de tração e, portanto, particularmente vulneráveis a esse mecanismo. A usinagem a seco torna-se necessária para esse material de corte, pois a lubrificação por resfriamento aumenta o efeito de resfriamento da ferramenta e tem um impacto negativo adicional em seu estado operacional. A composição e a estrutura internas do Al2O3 e do SiAlON reforçados com fibras de carboneto de silício determinam que esses materiais tenham as características de prevenir a formação de trincas e aumentar a tenacidade à fratura. Esses dois materiais cerâmicos de corte já foram comercializados como pastilhas de indexação e apresentam bom desempenho em uso.
O desenvolvimento subsequente mais promissor é a produção das chamadas cerâmicas graduadas. Nesse sentido, as características de resistência desse material podem ser especificamente alteradas por processamento subsequente. Assim como o aço por têmpera, a cerâmica também pode ser transformada em bordas resistentes ao desgaste e áreas centrais não resistentes à fratura.
Antes do processo completo de desenvolvimento cerâmico, foram analisadas as características de uso desses dois materiais cerâmicos como insertos de indexação. Ao mesmo tempo, a resistência ao desgaste dos materiais também foi estudada e avaliada. Uma análise detalhada do projeto da ferramenta pode ser obtida por meio de medições mecânicas na peça de trabalho combinadas com simulações FEM. O conhecimento adquirido em testes práticos é complementado pelos limites de carga determinados numericamente. Isso permite a identificação de condições de carga que são prejudiciais às características de resistência da cerâmica. Ao mesmo tempo, as diferentes características de autovibração de diferentes formatos de ferramentas são levadas em consideração. Por meio de ajustes direcionados de ferramentas e processos, não apenas o desgaste da ferramenta pode ser significativamente reduzido e a vida útil da ferramenta aumentada, mas também a qualidade geométrica da superfície da peça de trabalho é significativamente melhorada.
Para um instituto de pesquisa, é crucial que ele tenha as condições únicas para fabricar ferramentas em suas próprias retificadoras de alta precisão, posteriormente medi-las em equipamentos de medição de ferramentas e testá-las em potentes centros de usinagem HSC. Isso permite ciclos de desenvolvimento muito curtos e um conhecimento profundo do processo.
