Análise comparativa de ferramentas de metal-duro classe S e cerâmica mista no torneamento a seco e com MQL do aço SAE 4340 endurecido

Abstract

O torneamento de materiais endurecidos é comumente realizado utilizando ferramentas de PCBN. No entanto, os custos relativamente elevados associados a essas ferramentas deixaram um espaço para procurar materiais de ferramenta com custos menores, que operem em um intervalo de tempo aceitável (ex. cerâmica mista). Neste contexto, o desenvolvimento de novas classes e refino de grãos de ferramentas de metal-duro, juntamente a novas tecnologias de revestimento, conferem propriedades relativamente compatíveis com a aplicação. Neste segmento, o estudo busca avaliar de maneira comparativa o desempenho de insertos de metal-duro com grãos ultrafinos e revestimento PVD (TiAlN + Al2O3) e de cerâmica mista no torneamento do aço SAE 4340 endurecido a (52 ± 1) HRC por meio de desgastes e vida da ferramenta, forças de usinagem e rugosidade da superfície usinada. Para isso, foram variadas a velocidade de corte (120 e 180 m/min) e a condição lubrirrefrigerante (corte a seco e com mínima quantidade de lubrificação, MQL). Na comparação, verificou-se maior vida da ferramenta para o inserto de cerâmica mista. Os desgastes de flanco e cratera foram evidenciados em todas as situações. O desgaste de entalhe, adesão e trincas mecânicas foram visualizadas em condições específicas. Os mecanismos de desgastes atuantes nos insertos foram principalmente abrasão, attrition e difusão. Em geral, as forças aumentaram com a progressão do desgaste de flanco, e a aplicação de MQL reduziu a intensidade das mesmas. Os menores valores de força foram gerados pelo inserto de metal-duro. Os valores e os perfis de rugosidade foram afetados pelo desgaste da ferramenta ao longo da sua vida. Os menores valores de rugosidade foram gerados pelo inserto de cerâmica mista com MQL. Apesar de apresentar desempenho inferior, o inserto de metal-duro mostrou ser uma possível alternativa para a usinagem de materiais endurecidos ao se utilizar menores velocidades de corte.

Turning of hardened materials is commonly performed using PCBN tools. However, the relatively high costs associated with these tools have left them room to look for relatively low-cost tool materials operating in an acceptable timeframe (ex. mixed ceramic). In this context, the development of new grades and grain refining of the cemented carbide tools, along with new coating technologies, impart relatively compatible properties to the application. Therefore, the present study aims to compare the performance of the cemented carbide ISO S grade insert with ultra-fine grains and PVD coating (TiAlN + Al2O3) and mixed ceramic insert in turning of SAE 4340 steel hardened at (52 ± 1) HRC through tool wear and tool life, machining forces and surface roughness. For this, cutting speed (120 and 180 m/min) and lubricating-cooling condition (dry cut and minimum quantity of lubrication, MQL) were varied. As results, the mixed ceramic tool life was longer. Flank and crater wear were evident in all situations. Notch wear, adhesion and mechanical cracking were visualized under specific conditions. The observed wear mechanisms were abrasion, attrition and diffusion. In general, the progression of flank wear increased the machining forces, and the application of MQL reduced it. The cemented carbide insert generated the lowest force values. The tool wear affected the generated roughness values and profiles during the tool life. The lower surface roughness values were obtained by mixed ceramic insert combined with MQL. On the other hand, the cemented carbide insert performance was inferior, but it proved to be a possible alternative to hard turning when using low cutting speeds.