Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-07-18T04:08:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2016 / O torneamento de aços endurecidos é tipicamente realizado utilizando-se ferramentas de PCBN e cerâmica, as quais possuem propriedades adequadas para suportar as condições tribológicas do processo, impostas tanto pela dureza e resistência mecânica como pelos componentes microestruturais (como os carbonetos) do material usinado. Neste segmento, o desenvolvimento de novas classes e, principalmente, o refino de grão das ferramentas de metal-duro, associado às novas tecnologias de revestimentos, conferem ao metal-duro propriedades compatíveis com a aplicação. Neste contexto, este trabalho visa determinar a região de transição de aplicação das ferramentas de metal-duro revestido (PVD TiAlN e MTCVD TiCN/Al2O3/TiN) e PCBN, por meio do estudo do desgaste das ferramentas em parâmetros tridimensionais ao longo do período de adequação do sistema tribológico do par ferramenta-peça. Para isso, ensaios de torneamento foram realizados nos aços AISI 4340, AISI 52100 e AISI D2 em seis patamares de dureza, no intervalo de 35 a 60 HRC e divididos em duas fases: adequação tribológica e vida das ferramentas. Na primeira foram avaliados: componentes da força de usinagem, desgaste das ferramentas (microscopia óptica e eletrônica de varredura), integridade da superfície usinada (rugosidade e alterações e microestruturas) e morfologia dos cavacos. Na segunda fase foram considerados a evolução dos desgastes das ferramentas e a rugosidade da superfície usinada. Verificou-se que as componentes da força de usinagem apresentam aumento gradativo com o aumento da dureza dos materiais, sendo a força passiva (Fp) a componente dominante. Ademais, o incremento na dureza dos aços tende a reduzir os valores rugosidade da superfície usinada, atingindo a classe N4 (até 0,4 µm no parâmetro Ra). Considerando-se os parâmetros de desgaste que representam o volume de material removido (WRM) e a área afetada (WAA) da ferramenta, tanto para o metal-duro como para o PCBN, verificou-se uma tendência na redução do desgaste das ferramentas com o aumento da dureza dos aços até 50 HRC nas três ligas de aço ensaiadas. Após este limite de dureza, entretanto, o desgaste apresenta novamente uma tendência de aumento com acréscimos na dureza. Esta região representa a transição da morfologia dos cavacos de contínuos para dentes de serra, como também da intensidade de atuação dos mecanismos de desgaste ? principalmente da abrasão, adesão e difusão. Verificou-se, ainda, que o aumento da dureza dos aços tende a reduzir o mecanismo de desgaste da adesão, situação identificada pelo parâmetro de desgaste WAM (volume de material aderido à ferramenta). Além disso, a fração volumétrica de carbonetos na microestrutura dos aços possui impacto exponencial nos parâmetros de desgaste WRM e WAA. Os ensaios de vida das ferramentas mostraram que a região de transição de aplicação das ferramentas de metal-duro é dependente tanto da dureza como da microestrutura dos materiais usinados. Para o aço AISI 4340, o limite de aplicação das ferramentas de metal-duro é de 55 HRC; para aço AISI 52100, de 50 HRC; e para o aço AISI D2 este limite é de 45 HRC. Adicionalmente, verifica-se que para o limite de aplicação nos aços AISI 4340 e 52100, a vida das ferramentas depende do momento do desplacamento do revestimento da ferramenta. Com base na análise dos resultados, verificou-se que os parâmetros tridimensionais de desgaste se mostram adequados até mesmo para a detecção de mínimos defeitos no desgaste das ferramentas, como o momento do desplacamento do revestimento. Evidencia-se, através do trabalho, que a metodologia desenvolvida e aplicada no mesmo abre novas possibilidade de compreensão dos complexos e específicos fenômenos ocorridos em processos de usinagem, particularmente na usinagem de aços endurecidos.<br> / Abstract : The turning of hardened steels is typically accomplished using PCBN and ceramics tools, which have suitable properties to withstand the tribological process conditions imposed by machined material i.e., hardness and mechanical strength and microstructural components (such as carbides). In this segment, the development of new cemented carbide grades, especially the grain refining, coupled with new coating technologies, give the cemented carbides application compatible properties. In this context, this research aims to determine the boundary of application of cemented coated carbide (PVD TiAlN and MTCVD TiCN/Al2O3/TiN) and PCBN tools, through the study of tool wear in three-dimensional parameters over the adequacy period of the tool-workpiece tribological system. Turning tests were conducted on AISI 4340, AISI 52100 and AISI D2 steels, in six hardness levels, ranging from 35-60 HRC and divided into two phases: tribological adequacy and tool life. In the first one, machining force components, tool wear (by optical and scanning electron microscopy), machined surface integrity (roughness surface and microstructural alterations) and chip morphology were evaluated. In the second phase, tool wear evolution and machined surface roughness were considered. The machining force components present a gradual increase with the increase of the hardness material, with the passive force (Fp) being the dominant component. In addition, the increase in hardness of the steels tends to reduce the machined roughness surface, reaching the N4 grade (up to 0.4 µm in the Ra parameter). Considering the wear parameters that represent the amount of material removed from the tool (WRM) and affected area (WAA), both cemented carbide and PCBN, were found to have a trend of decreasing tool wear with increasing the hardness in the range of 35-50 HRC. After a hardness level of 50 HRC, however, wear shows increasing trend with increasing hardness. This region represents the transition from continuous chips to saw tooth chips morphology, as well as the wear mechanism acting intensity ? especially abrasion, adhesion and diffusion. It was also found that increasing the hardness of the steel tends to reduce the adhesion wear mechanism, identified by wear parameters WAM (adhered material volume on the tool). Moreover, the volume fraction of the carbides in the steel?s microstructure has an exponential effect on WRM and WAA wear parameters. Tool life tests showed that the cemented carbide and PCBN tools boundary of application is a function of hardness and microstructure of the machined material. The cemented carbide limit of application of AISI 4340 steel is 55 HRC; AISI 52100 steel is 50 HRC; and AISI D2 steel is 45 HRC. Additionally, the cemented carbide tool life in the limits of application in AISI 4340 and 52100 steels depends on the time it takes the coating to deteriorate. Based on the result analysis, it was found that the three-dimensional parameters of wear are suitable even for detecting minuscule tool defects by identifying the time of coating deterioration. It is evidenced by this research, that the methodology developed and applied open new possibilities to understanding complex and specific phenomena occurring in machining processes, particularly in the machining of hardened steels.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/177581 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Boing, Denis |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Schroeter, Rolf Bertrand, Oliveira, Adilson José de |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 287 p.| il., gráfs., tabs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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