Metal duro

O metal duro é o mais importante material para ferramentas de corte utilizado na indústria moderna, devido a sua combinação de dureza a temperatura ambiente, dureza a quente, resistência ao desgaste e tenacidade, combinação essa possível de obter-se pela variação da sua composição . É um produto da metalurgia do pó feito de partículas duras finamente divididas de carbonetos de metais refratários, sinterizados com um ou mais metais do grupo do ferro (ferro, níquel ou cobalto – o mais usual é o cobalto) formando um corpo de alta dureza e resistência à compressão. As partículas duras são carbonetos de tungstênio, usualmente em combinação com outros carbonetos, como carbonetos de titânio, tântalo e nióbio. O tamanho destas partículas varia geralmente entre 1 a 10 µm e ocupam de 60 a 95% do volume do material (SANDVIK COROMANT, 2003).
Dureza em altas temperaturas e tenacidade (ou capacidade de resistência ao choque) são propriedades que se exigem de qualquer material utilizado em ferramentas de usinagem e que encontram um compromisso bastante bom no metal duro. Podem se ter metais duros de elevada tenacidade, como também metais duros com alta resistência ao desgaste ou dureza a quente. Outras características que são normalmente controladas, pois afetam a capacidade de corte do metal duro, são a porosidade e a microestrutura.

A tabela 1.0 apresenta a composição química e algumas características correspondentes a diversas classes de metal duro. Pode-se ver nesta tabela que à medida que a quantidade de carbonetos sobe, a densidade cai e a dureza aumenta. Quando se introduz TaC (com ou sem nióbio), melhora-se tenacidade em relação às composições isentas deste carboneto. A substituição de TiC pelo TaC aparentemente não traz vantagens apreciáveis sob o ponto de vista de melhora da capacidade de corte. Entretanto, é certo que o aumento simultâneo dos dois carbonetos produz melhores resultados na usinagem, provavelmente devido à dureza a quente dessas composições. Vê-se também nesta tabela que à medida que o volume de cobalto cresce (e, com isso, diminui o volume de carbonetos) a tenacidade (medida pela resistência à ruptura transversal) aumenta.

Tabela 1.0 - Composição química do Metal Duro (SANDVIK COROMANT, 2003)

Atualmente, já são produzidos metais duros com partículas com cerca de 0,1 µm, o que melhora várias das características desejáveis a um material para ferramenta. Estes metais duros com micro grãos micrométricos ou sub-micrométricos podem ser classificados de acordo com o tamanho do grão de sua estrutura com: fino (0,8 a 1,3 µm), sub-micrométrico (0,5 a 0,8 µm), ultrafino (0,2 a 0,5 µm) e nanométrico (menor de 0,2 µm). Devido ao maior fator de empacotamento que grãos muito pequenos propiciam, à medida que se diminui o tamanho de grão do metal duro aumenta-se a dureza, resistência ao desgaste e tenacidade do material (DINIZ et al., 2008). Como exemplo, pode-se citar que um metal duro com grão fino e teor de cobalto de 6% tem dureza Vickers da ordem de 1600 HV30, enquanto os metais duros submicrométrico e ultrafino com o mesmo teor de cobalto têm dureza da ordem de 1800 e 2050 HV30, respectivamente. Exemplo similar pode ser dado com relação à tenacidade. Um metal duro com grão fino e 6% de cobalto têm resistência à ruptura transversal (propriedade que estima a tenacidade de um material) na casa de 2150 N/mm², enquanto que os metais duros submicrométrico e ultrafino tem esta propriedade na casa de 2950 e 3450 N/mm², respectivamente. Também a condutividade térmica do metal duro diminui quando se diminui seu tamanho de grão, o que faz com que uma menor porcentagem do calor gerado no processo flua pela ferramenta, o que torna adequada à utilização em processos com altas velocidades de corte (DINIZ et al., 2008).
O metal duro do grupo K (usinagem de ferro fundido) foi o primeiro tipo de metal duro a ser desenvolvido. O metal duro desta classe é composto de carbonetos de tungstênio aglomerados pelo cobalto. Este tipo de metal duro não é resistente ao mecanismo que gera o desgaste de cratera e, assim, os metais duros desta classe são indicados para a usinagem de materiais frágeis, que formam cavacos curtos (ferros fundidos e latões), e que não atritam muito com a superfície de saída da ferramenta, pois ao sofrerem uma pequena deformação, já se rompem e pulam fora da região de corte (DINIZ et al., 2008).

Referência bibliográfica

DINIZ, A.E.; MARCONDES, F.C.; COPPINI,N.L. Tecnologia da Usinagem dos
Materiais, 6° edição São Paulo: Artiliber Editora, 2008. 262p.

Abraço e até a próxima.

Mcs. Sander Gabaldo

Ferramentas de Corte

O processo de usinagem, que utiliza como ferramenta um material mais duro que o da peça, é a operação mais comum entre os processos de fabricação existentes. Baseado no princípio da dureza relativa, o surgimento de novos materiais e ligas estruturais com excelentes propriedades de resistência mecânica e elevada dureza contribui para o aparecimento de novos materiais de ferramentas mais resistentes para as operações de usinagem .

Por outro lado, a usinagem de materiais frágeis e/ou operações de cortes interrompidos (como o caso do fresamento, por exemplo) requerem materiais de ferramentas com suficiente tenacidade para suportarem os choques e os impactos inerentes a tais processos.

Como dureza e tenacidade são duas propriedades frequentemente opostas (normalmente alta dureza significa baixa tenacidade e vice-versa), o balanço destas propriedades nos materiais de ferramenta de corte se tornou um desafio para os fabricantes. Mais uma vez a dedicação em estudos e investimentos na pesquisa mostra-se eficientes, pois hoje se pode encontrar no mercado grande número de ferramentas com invejáveis características simultâneas de tenacidade e dureza. A conciliação dessas propriedades foi conseguida com a produção de ferramentas com diferentes composições químicas, tamanho de grãos finos e total controle dos processos de fabricação e tratamento térmico, o que lhes confere um grau de pureza e qualidade excepcionais.

A ferramenta de corte ideal deve ter as seguintes características (MODERN METAL CUTTING, 1994):

• Ter alta dureza, resistência ao desgaste de flanco e deformações plásticas.
• Ter alta tenacidade para resistir a choques e quebras
• Ser quimicamente inerte com o material a ser usinado e resistir em altas temperaturas ao desgaste por oxidação e difusão (craterização).
• Ter boa resistência a choques térmicos.

A característica da ferramenta escolhida influenciará diretamente em sua vida útil, na escolha da máquina, tempos de fabricação, custo do operador, entre outros fatores (HEISEL, 2007).

Os materiais para ferramentas mais utilizados nas operações de usinagem não apresentam uma classificação geral (FERRARESI, 1990). Entretanto, com base nas suas características químicas, elas podem ser agrupadas da seguinte maneira (DINIZ et al, 2008).

• Aços-rápidos
• Metal duro
• Cerâmica de corte
• Nitreto de boro cúbico
• Diamante
  

A figura 1 mostra a relação entre tenacidade e dureza dos principais materiais de corte disponíveis no mercado. O aço rápido apresenta grande tenacidade e consequentemente uma baixa dureza, o que impede sua utilização em velocidades de acima de 60 m/min quando comparado da usinagem de aço ou ferro fundido. Os materiais de corte nobres, como por exemplo, a cerâmica, o CBN e o PCD, possuem elevada dureza e baixa tenacidade. Portanto, necessitam de condições de corte de alta estabilidade, como por exemplo, alta rigidez da fixação da peça e da ferramenta de corte, assim como cortes contínuo ou pouco interrompido e máquinas com altas rotações, pois trabalham com altas velocidades de corte (acima de 500 m/min).

Neste contexto, o metal duro é o material que possui a melhor relação entre tenacidade e dureza. O metal duro é o material de corte mais utilizado para a usinagem em nível mundial. Cerca de 45% de tudo que é usinado é feito com ferramentas de metal duro. A tendência para os próximos anos é aumentar ainda mais a utilização do metal duro devido ao seu contínuo desenvolvimento.


Figura 1- Desenvolvimento das ferramentas de corte

Sabe-se que todos os materiais de engenharia apresentam uma queda de resistência com o aumento da temperatura. A Figura 2 mostra o comportamento da dureza dos principais grupos de ferramentas de corte com a temperatura de trabalho. Nota-se que até mesmo o metal duro e as cerâmicas têm sua dureza reduzida, com o aumento da temperatura de corte, mas numa taxa bem menor que aquelas apresentadas pelos aços-rápidos. Isto garante a aplicação destas ferramentas em condições de corte bem mais desfavoráveis que aquelas a que podem se submeter os aços-rápidos.

Figura 2- Variação da dureza de alguns materiais de ferramentas de corte com a temperatura

No próximo post, será feita uma descrição detalhada dos materiais de ferramentas mais utilizados no corte do ferro fundido, o metal duro e a cerâmica.

Referências:

DINIZ, A.E.; MARCONDES, F.C.; COPPINI,N.L. Tecnologia da Usinagem dos Materiais, 6° edição São Paulo: Artiliber Editora, 2008. 262p

FERRARESI, D. Fundamentos da Usinagem dos Metais, vol. 1, São Paulo: Editora
Edgard Blücher LTDA, 1970. 754p.

MODERN METAL CUTTING: A pratical handbook. SANDVIK Coromant, 1996

Grande abraço e até lá !

Msc. Sander Gabaldo

Ferramentas de corte para usinagem

Olá amigos, vamos iniciar uma nova série de artigos entrando a fundo nas ferramentas de corte. I

remos abordar o metal-duro e cerâmica, um dos principais materiais de corte utilizados atualmente. Após conhecermos estes materiais, suas características e aplicações, iremos estudar os mecanismos de desgastes das ferramentas de corte.

Boa leitura, deixe seu comentário, suas experiências, ajude enriquecer este blog !!!

abraço
Msc. Sander Gabaldo

Influência do avanço por dente de corte

Olá amigos, hoje vamos falar sobre a influência do avanço por dente de corte na usinagem.

No processo de fresamento, chamado de avanço por dente (fz) visto que a fresa tem uma ou mais dentes de corte e no torneamento/furação chamado de avanço por volta (fn), em ambos os casos o valor é dado em milímetros.

Em geral, o avanço define o deslocamento da ferramenta, em direção axial ou radial, a cada rotação da peça, assim as principais influências do avanço na usinagem são:

• É o principal fator responsável pelos tempos e resultados da usinagem.
• Desbaste – onde grandes quantidades de material são removidas
• Acabamento – onde é necessário se obter boa qualidade superficial
• Controle do cavaco, principalmente em torneamento e furação

Mais especificamente para processos de fresamento, segue abaixo informações importantes para a adequação do avanço (vf, f, fz), entretando, deve se considerar uma série de fatores como por exemplo:
• tipo da fresa
• classe de metal duro
• acabamento superficial desejado
• material a ser usinado
• potencia da máquina

É importante mencionar que fresas com pastilhas de metal duro não deveriam trabalhar com avanços muito pequenos.

Importante:

O avanço não é diretamente proporcional à potencia consumida.
Maior avanço por faca (fz) reduz a potencia consumida para a remoção de um certo volume de material por unidade de tempo. Portanto com o mesmo avanço da mesa (vf), uma fresa de passo largo consome menos potencia do que uma fresa de passo fino.


Dúvidas, sugestões, comentários? deixe sua mensagem.

abraço e até a próxima.

Msc. Sander Gabaldo

Olá amigos, hoje vamos falar sobre a velocidade de corte.

Mas, o que é essa tal velocidade de corte? Velocidade de Corte é a velocidade relativa entre a ferramenta e a peça ou seja, é a velocidade com que o diâmetro (periférico) da peça passa pela ponta da ferramenta (para torneamento)

Combinada com o avanço, são os mais importantes dados de corte e são geralmente determinados pelo material a ser usinado.

A Velocidade de Corte é decisiva para a performance da ferramenta tendo influência direta nos seguintes fatores:

• Vida útil da aresta de corte


• Consumo de potência


• Segurança durante a usinagem


• Escolha do material da ferramenta.

Velocidades de Corte demasiadamente altas ou baixas, trazem com certeza, danos à ferramenta e conseqüentemente à usinagem, sem contar a segurança operacional. Quanto maior a velocidade de corte, menor a vida útil da ferramenta !

Abraço e até a próxima.

Msc. Sander Gabaldo

Influência dos parâmetros de corte na usinagem_Profundidade de corte (ap)

Profundidade de corte é a quantidade que a ferramenta penetra na peça, medida perpendicularmente ao plano de trabalho (na direção do eixo da fresa). No fresamento frontal, ap corresponde à profundidade de corte e no fresamento periférico, à largura de corte.

Do ponto de vista da economia de ferramenta deve-se escolher a maior profundidade de corte (ap) possível, ou seja, deve-se utilizar ao máximo o comprimento das arestas de corte.

Existem certos fatores que limitam a profundidade, como por exemplo:

• Potência da máquina => máquinas de baixa potência devem utilizar pequenas profundidades de corte (e também utilizar ferramentas com geometria de corte positiva).

• Rigidez da máquina => Estabilidade e condições de trabalho da máquina (máquinas com manutenção preventiva, isenta de folgas, rolamentos e fusos em boas condições de trabalho, bom sistema de lubrificação, etc....).

• Rigidez da fixação => Sistemas rígidos para fixação da peça afim de evitar que a mesma se mexa (afetando dimensional e tolerâncias) ou solte durante a usinagem (acidentes de trabalho, perdas na produção).

• Rigidez da peça => Em peças com geometrias finas e delgadas deve ser evitado grandes profundidades de corte afim de eliminar possiveis tendências a vibração. Em peças com paredes finas em ferro fundido, temos o lascamento das bordas, já em aço e não ferrossos (aluminio, cobre, bronze, entre outros) temos a tendência de deformações dimensionais, como por exemplo, empenamento, excesso de rebarbas, etc...).

A profundidade de corte (ap) e potencia necessária são diretamente proporcionais.

Exemplo de cálculo para ap = 2,5 mm e ap = 5,0 mm

Fresa com diâmentro de corte de 100,0 mm, 12 facas de corte efetiva e ângulo de posição de 45°vc:200m/min
n:637 U/min
fz:0,20mm
vf:1528mm/min
ae:40,0mm
ap:2,5mm
hm:0,14mm
Material: GG30
P:5,3kW

agora para uma profundidade de corte de 5,0mm a potência de corte necessária será de 10,6kW

Dúvidas, comentários, não hesite em contatar-me

até a próxima,

Msc. Sander Gabaldo

Influência dos parâmetros de corte na usinagem

Olá amigos,


Se você trabalha, ou já trabalhou em uma máquina operatriz, seja um torno, em uma fresadora ou furadeira radial, e até mesmo nos mais modernos centros de usinagem, você já deve ter ouvido: se vibrar, reduz o avanço, ou...aumenta a velocidade de corte pra reduzir o tempo de corte, ou.....remove o material de 1 em 1 milímetros que é melhor.......coisas deste tipo, você não poderá perder esta esta nova série!

Assim, nas próximas três matérias, irei abordar a influência dos parâmetros de corte na usinagem dos metais. Estudaremos a influência da velocidade de corte, largura de corte e profundidade de corte.

Até mais,

Msc. Sander Gabaldo

CGI_Parte 7_Ferramentas de corte para usinagem do CGI e experiências de campo

Prezados colegas, assim chegamos a última parte desta sequência de matérias sobre o ferro fundido vermicular.

Ferramentas de corte para usinagem do CGI.

O material de corte mais indicado para a usinagem de ferro fundido vermicular é o METAL DURO com COBERTURA. As pastilhas de metal duro intercambiáveis para a usinagem de fresamento, furação ou torneamento são indicadas para trabalharem com velocidade de corte entre 120 - 180 metros por minuto e avanço por dente de corte para operação de desbaste (para fresa) ou por rotação (torneamento/furação) entre 0,10 - 0,26 mm.

Nestas condições, a vida útil média em metros por aresta de corte na ferramenta é de 8 - 12 metros para desbaste e de 3 - 5 metros para operações de acabamento. Isso representa aproximadamente de 40 a 50% da vida de ferramenta encontrada na usinagem de ferro fundido cinzento (24-30 metros/aresta). As profundidades de corte são as mesmas utilizadas para a usinagem de ferro fundido cinzento.

Referente a geometria da pastilha, estudos mostram que a micro-geometria da aresta de corte reforçada (chanfros ou arredondamento da aresta de corte) resultam em vida de ferramenta mais elevada que as geometrias positivas de corte (quebra cavacos). Alguns estudos também mostram que ferramentas de metal com cobertura PVD (com óxido de alumínio+ TiN) também proporcionam melhor vida útil comprada com classes CVD. A usinagem sem refrigeração também é primordial para um melhor resultado.

O material de corte Cerâmico também pode ser utilizado para a usinagem do CGI, entretando, com vida útil relativamente baixa quando comparada com o metal duro. A escolha do material de corte a ser utilizado deve ser analisado de acordo com a necessidade, ou seja, tempo de ciclo, nr° de máquinas disponíveis, investimentos em máquinas e pessoas, estabilidade do processo de usinagem (fixação da peça, máquina, geometria da peça, entre outros).

Assim, finalizamos esta série, espero que tenha agregado conhecimento aos meus amigos leitores, e até a próxima.

Grande abraço, e não esqueçam de comentar a matéria.

Atenciosamente,

Msc. Sander Gabaldo

CGI_Parte 6_Dificuldades na usinagem do bloco de motor

O ferro fundido vermicular inclui invariavelmente partículas esferoidais de grafita nodular. Enquanto a nodularidade aumenta, aumentam também as forças de corte e a rigidez, diminuindo a usinabilidade e a condutividade térmica. Além disso, com o aumento da nodularidade a resistência do material também é elevada influênciando diretamente na usinabilidade.

Assim, no processo de usinagem das partes do bloco de motor, o processo de fresamento é de fundamental importância, principamente no fresamento da face do fogo (figura 1). Esta face requer elevado grau de acabamento (Rz), assim como precisão geométrica de forma e posição, porque é acoplada a outros componentes, com o objetivo de evitar vazamento de óleo do bloco do motor.

Figura 1 - Face de fogo do bloco de motor

Um fator que dificulta a usinagem desta parte do bloco é o grande número de interrupções na superfície devido às nervuras e bolachas para reforço da estrutura do bloco, assim como devido aos furos do cilindro e demais furações de refrigeração e fixação do cabeçote, além de alívios de peso. Cuidados especiais são levados em conta na escolha da fresa, pois fresas muito positivas reduzem o esforço de corte da usinagem, reduzindo a tendência ao lascamento das bordas da superfície, porém têm uma vida relativamente baixa, quando comparada às fresas com geometria da aresta de corte negativa devido à pouca resistência ao impacto.

Na usinagem de ferro fundido, um dos fatores que determinam o fim de vida de uma fresa é o lascamento de borda da superfície usinada, que é influenciado pelo aumento do desgaste frontal na aresta principal de corte da ferramenta e esforços de corte. Para se minimizar esta ocorrência, é necessário que se utilize avanço por dente pequeno. Sendo assim, as fresas de passo fino são indicadas para desbaste e acabamento nestas partes do bloco, que permitem grandes velocidades de avanço, mesmo com um pequeno avanço por dente, proporcionando um economia grande no tempo de corte. Porém, o uso de fresas de passo fino e de geometrias negativas da fresa é limitado pela falta de estabilidade da peça, máquina e dispositivo, fazendo com que este tipo de fresas gerem elevados esforços de corte, causando irregularidade dimensionais na superfície a ser usinada.












Figura 2 - Face lateral do bloco de motor


Abraço e até a próxima,

Msc. Sander Gabaldo

CGI - Parte 5_Influência e efeito da grafita, perlita e nodularidade no CGI

Influência das grafitas

No ferro fundido cinzento, as grafitas por possuírem alta condutividade térmica, da ordem de aproximadamente 3-5 vezes maior que a do ferro puro, garante ao material uma boa condutividade térmica. Devido à orientação, proporcionam também uma excelente capacidade de amortecimento de vibrações. Isto se deve ao caminho que as ondas sonoras realizam ao se propagarem através do ferro, refletindo-se na superfície das grafitas e sendo enfraquecida pela sua transformação em calor. Deste modo, ao mesmo tempo em que se têm vantagens em razão da forma e orientação das grafitas na matriz, têm-se desvantagens com a redução da resistência mecânica, da ductilidade e da tenacidade do material. Isto é causado pelas descontinuidades provocadas na matriz pelos cantos agudos das grafitas, que agem como pontos de concentração de tensões e planos de propagação de trincas (DAWSON, 1993).

No ferro fundido nodular, as grafitas se apresentam na forma de nódulos, não gerando descontinuidades na matriz, o que ocasiona menor concentração de tensões. Esta disposição das grafitas confere ao material um aumento da sua resistência mecânica, ductilidade e tenacidade, em relação ao ferro cinzento. Como desvantagens, pode se citar: menor condutividade térmica da liga, em virtude das grafitas não se mostrarem interconectadas; menor capacidade de amortecimento e pior usinabilidade quando comparado com o ferro fundido cinzento e o CGI.

A fase da grafita no ferro fundido vermicular aparece na forma de verme ou de partículas vermiculares. Essas partículas são alongadas e orientadas aleatoriamente como no ferro fundido cinzento, porém são mais curtas, mais grossas, e de bordas arredondadas, o que confere propriedades superiores como: boa resistência mecânica, tenacidade e resistência a choques térmicos, amortecimento e condutividade térmica. A sua micro estrutura resulta em uma adesão mais forte entre a grafita e a matriz de ferro inibindo assim a iniciação e o crescimento de trincas e garantindo com isso propriedades mecânicas superiore. Além disso, observa-se que a superfície da grafita vermicular apresenta imperfeições, as quais aliadas à morfologia complexa (também conhecida como “coral”) resultam em adesão ainda mais forte com a matriz de ferro.

Na tabela 1 são apresentadas às propriedades mecânicas e físicas do ferro fundido vermicular, comparadas ao ferro fundido cinzento e nodular.

Tabela 1 - Propriedades mecânicas e físicas de ligas típicas de ferro fundido vermicular comparado com o cinzento e nodular

Na tabela 2 são apresentadas as composições químicas típicas para ligas de CGI com nodularidade de 0 a 20%. Segundo a Empresa Sintercast (2001), a especificação da composição química está ligada às propriedades mecânicas. Em outras palavras, ela será variável conforme a aplicação do produto e suas exigências.

Tabela 2 - Intervalos típicos de composição química do ferro fundido vermicular para nodularidade de 0 a 20% (SINTERCAST, 2001).

Efeitos da forma da grafita
As grafitas lamelares apresentam superfícies com poucas irregularidades, quando comparadas às grafitas vermiculares e promovem o início de fratura e sua propagação, fazendo que o ferro fundido cinzento se torne frágil. Já a morfologia do ferro fundido vermicular não permite a clivagem e nem a propagação de trincas. O início da fratura no ferro fundido vermicular se dá na interface da grafita vermicular com a matriz metálica. Este é um dos principais fatores para um maior desgaste da ferramenta de corte na usinagem do CGI. Porém, esta característica auxilia na maior resistência mecânica e maior tenacidade do CGI.

Grafitas na forma nodular sempre estarão presentes na estrutura do ferro fundido vermicular. Com isto a resistência mecânica e a tenacidade aumentam. Por outro lado, a fundição, usinabilidade e condutividade térmica serão prejudicad. Sendo assim a microestrutura deve ser cuidadosamente especificada conforme exigência de desempenho do produto final e custos de produção.

Efeitos da Perlita
Os ferros fundidos são formados por partículas de grafita em uma matriz ferrítica ou perlítica. Durante a solidificação o material passa por uma faixa de temperatura na qual se encontra sob a forma austenítica. Abaixo de 725°C o material se transforma em ferrita ou perlita. Se a velocidade de resfriamento é lenta o suficiente e as condições químicas são favoráveis, os átomos de carbono saem da matriz para formar grafitas e a matriz se torna preferencialmente ferrítica. Entretanto, se os átomos não conseguirem sair da matriz ocorrerá à formação de perlita. A perlita é constituída por uma estrutura lamelar alternada entre ferrita e cementita (Fe3C). Essas lamelas de Fe3C reforçam a matriz tornando-as mais dura e resistente. A razão perlita/ferrita é outro fator determinante na resistência mecânica do material. Um aumento de 15% para a razão de 95% de perlita no ferro fundido vermicular mantendo as demais variáveis inalteradas, induz a um aumento de tensão de limite de resistência de 300 Mpa para 480 Mpa refletindo na usinagem.

Blocos de motor em ferro fundido vermicular contendo 70% de perlita em sua matriz possuem a mesma dureza de um bloco em ferro fundido cinzento 100% perlítico (DAWSON et al., 1999).
A maior ou menor quantidade de perlita influencia a usinabilidade do ferro fundido, fato este estudado por Dawson através de fresamento (DAWSON, 2002) do ferro vermicular contendo de 50 a 95% de perlita em sua matriz. Os resultados mostraram que, em geral, a vida da ferramenta no fresamento cresce com o aumento do conteúdo de perlita. Isto, provavelmente, porque os elementos perlitizantes propiciam boa deformação e fácil clivagem e formação do cavaco em cortes interrompidos.

Nodularidade
Basicamente a forma da grafita, o teor de carbono e a perlita nos ferros fundidos tem sido de fundamental importância para determinar as propriedades mecânicas e físicas dos fundidos. As propriedades do CGI diminuem cerca de 20-25% com o aparecimento da grafita lamelar na estrutura e aumentam gradualmente quando a nodularidade excede 20%. Com o excesso de nodularidade, a condutividade térmica e usinabilidade são reduzidas e também o processo de fundição se torna mais difícil.

A microestrutura dos ferros fundidos é influenciada pela velocidade de resfriamento, observando-se maiores porcentagem de nódulos em seções que resfriam rapidamente. Em peças complexas como bloco e cabeçotes, as velocidades de resfriamento de diferentes partes das peças dependem não só das espessuras de paredes, como também do modo como o metal preenche a peça.

Para a maioria dos blocos, as velocidades de resfriamento das paredes com espessuras a partir de cinco milímetros são suficientemente baixas para manter a taxa de nodularidade dentro da faixa de 0% a 20%. Espessuras menores, que resultam nodularidades na faixa de 30 a 50%, geralmente ficam restritas a paredes externas, aletas, não sendo prejudicial à fundibilidade ou ao desempenho (ANDRADE, 2005).

Referência bibliográfica:

=> ANDRADE, Cássio Luiz F. Análise da furação do ferro fundido vermicular com brocas de metal-duro com canais retos revestidas com TiN e TiAlN. 2005. 170 p. Tese (Mestrado). Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.

=> DAWSON, Dr. Steve. Compacted graphite iron: Mechanical and physical properties for engine design – Technical Publication, 1999.

=> DAWSON, Dr. Steve. Practical applications for compacted graphite iron. In: Compacted graphite iron - Machining Workshop, 5., 2002. Darmstadt. Anais… Darmstadt: PTW - Institute of Production and Machine Tools, 2002.

=> SINTERCAST AB. Practical applications for compacted graphite iron. Technical Publications. Sintercast Darmstadt PTW 2001.

até a próxima

Msc. Sander Gabaldo

CGI - Parte 3 e 4_Materiais para fabricação dos blocos de motor a Diesel (ferro fundido)

por Msc. Sander Gabaldo

A tecnologia de ferros fundidos tem recebido continuamente importantes desenvolvimentos, tanto nos processos de fabricação como em materiais. Estes desenvolvimentos são resultantes das necessidades do mercado referentes à aplicação ou a redução de custos, que trazem como conseqüência a necessidade de uma atualização tecnológica de um material de muita tradição na indústria automobilística, que é o ferro fundido.

Segundo Guesser (1997) as principais características desejáveis a um material para a fabricação de um bloco de motor são:

- Elevada resistência mecânica
- Boa condutividade térmica
- Tenacidade
- Ductilidade
- Capacidade de amortecimento de vibrações

Atualmente, os materiais disponíveis para fabricação de blocos são: ferro fundido cinzento, ferro fundido vermicular e ligas de alumínio.
Considera-se ferro fundido a liga ferrosa com teor de carbono acima de, aproximadamente, 2%. Face à influência do silício nesta liga, o ferro fundido é normalmente considerado uma liga ternária Fe-C-Si, pois o silício está freqüentemente presente em teores superiores ao do próprio carbono (CHIAVERINI, 1996).
De acordo com Chiaverini (1996), os ferros fundidos mais conhecidos e utilizados podem ser divididos em cinco grupos principais brancos, cinzentos, maleáveis, nodulares e vermiculares. Devido aos requisitos do projeto, para a obtenção de blocos de motores utilizam-se apenas os ferros fundidos cinzentos e, mais recentemente, os ferros fundidos vermiculares.


Ferro Fundido Cinzento

O ferro fundido cinzento é uma liga Fe-C-Si. É empregado em larga escala pelas suas propriedades de fundição e baixo custo relativo. Possuem características como a fácil fusão e moldagem, boa resistência mecânica, excelente usinabilidade, boa resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento. A faixa de composição do ferro fundido cinzento está compreendida entre os seguintes teores, conforme abaixo:

Elemento Químico Percentual (%)
- Carbono (C) 2,5 a 4,0%
- Silício (Si) 1,2 a 3,0 %
- Manganês (Mn) 0,3 a 1,0%
- Fósforo (P) 0,1 a 1,0%
- Enxofre (S) 0,05 a 0,25%

Por apresentarem fratura de cor cinza, denominam-se, classicamente, ferros fundidos cinzentos. Possuem a grafita na forma lamelar interconectada (figura 1) e isto lhes garante boa condutividade térmica, já que a grafita é um bom condutor térmico. Entretanto, a grafita disposta desta forma reduz a resistência mecânica, a ductilidade e também a tenacidade do material, pois provoca descontinuidades na matriz, assim como efeitos de entalhe. O ferro fundido cinzento é de fácil usinabilidade devido à baixa resistência à fadiga, a excelente condutividade térmica e também devido ao fato de ser extremamente frágil, o que possibilita a formação de cavacos curtos.


Figura 1. Micrografia óptica do ferro fundido vermicular atacada com nital e sentido de usinagem da ferramenta de corte.

Os ferros fundidos cinzentos são classificados pelas letras FC (ABNT) ou GG (DIN), seguidas de seu limite de resistência à tração (Mpa ou bar), por exemplo: FC-250 ou GG25.


Ferro Fundido Vermicular – CGI

O ferro fundido vermicular é um material com propriedades intermediárias entre o ferro fundido cinzento e o ferro fundido nodular (SAHM et al., 2002). Como no ferro fundido cinzento, as partículas da grafita do ferro fundido vermicular são planas, alongadas, orientadas aleatoriamente e interconectadas, diferentemente das grafitas do ferro fundido nodular em que elas se apresentam em formas de nódulos (WARRICK et al., 1999).
Contudo, conforme pode ser visto na figura 2.b, os vermículos são similares aos nódulos do ferro fundido nodular (figura 2.c), pois ambos são muito menores do que as lamelas de grafita do ferro fundido cinzento. Por outro lado a morfologia das grafitas do CGI é compacta e com extremidades arredondadas, o que torna a nucleação e propagação de trincas muito mais difícil que no caso de ferros com grafita lamelar. Já o ferro fundido cinzento apresenta grafitas na forma de lamelas, com cantos agudos e superfícies lisas (figura 2.a). Suas grafitas são interconectadas e sem orientação preferencial, formando uma rede quase contínua.
O CGI possui boas características de resistência mecânica, ductilidade, tenacidade, resistência a choques térmicos, amortecimento e condutividade térmica.


(a) (b) (c)
Figura 2.- Forma espacial dos tipos de grafitas dos ferros fundidos. (a) Ferro fundido cinzento. (b) Ferro fundido vermicular. c) Ferro fundido nodular.


Com relação ao ferro fundido cinzento, o ferro fundido vermicular oferece as seguintes vantagens (DAWSON, 2002):

- Redução de espessuras de parede para um mesmo carregamento;
- Redução do fator de segurança devido à menor variação das propriedades do fundido;
- Redução de fraturas frágeis na manufatura, montagem e serviço, devido à maior ductilidade;
- Maior resistência, sem a necessidade de recorrer a elementos de liga;
- Menor profundidade de rosca necessária, portanto, parafusos menores podem ser utilizados;

Ainda segundo Dawson, quando comparado ao ferro fundido nodular, as vantagens são:

- Melhor produção de peças complexas fundidas;
- Redução nas tensões residuais, devido à maior condutividade térmica e ao módulo de elasticidade menor;
- Melhor transferência de calor;
- Melhor usinabilidade;

A cada dia têm aumentado a participação do CGI no setor automotivo, mostrando sua eficiência para diversos componentes como bloco de motores, cabeçote, coletor e disco de freios, que são tradicionalmente produzidos de ferro fundido cinzento (GUESSER e GUEDES, 1997).
A produção de bloco de motores a diesel de CGI vem aumentando devido à melhor característica de combustão e desempenho do ferro fundido vermicular, quando comparado com o ferro fundido cinzento. O CGI também apresenta uma melhor resistência mecânica e assim altas pressões são possíveis nos motores de câmara de combustão. O único inconveniente para a utilização do CGI é a sua usinabilidade, quando comparado com o ferro fundido cinzento, gerando altos custos de produção.


Referências:

- CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica – Processos de fabricação e tratamento. Volume III, 2° edição 1996.

- DAWSON, Dr. Steve. Practical applications for compacted graphite iron. In: Compacted graphite iron - Machining Workshop, 5., 2002. Darmstadt. Anais… Darmstadt: PTW - Institute of Production and Machine Tools, 2002.

- GUESSER, L. W. e GUEDES, L. C. Desenvolvimentos recentes em ferros fundidos aplicados à indústria automobilística. In: IX Simpósio de Engenharia Automotiva, AEA, São Paulo, 1997.

- SAHM, Dipl.-Ing. A; ABELE, Prof Dr.-Ing E; SCHULZ, Prof. Dr.-Ing. H. State of the art in CGI- Machining. Machining Workshop 2002 – Darmstadt- Germany – March 13-14/2002

- WARRICK, Robert J.; ELLIS, Gerald G.; GRUPKE; Clifforf C.; KHAMSEH, Amir R.; McLACHLAN, Theodore H.; GERKITS, Carrie. Development and application of enhanced compacted graphite iron for the bedplate of the new Chrysler 4.7 liter V-8 engine. International Congress and exposition – Detroit, Michigan – March 1-4, 1999.

Até a próxima.

Msc. Sander Gabaldo

CGI - Parte 2

A história do Motor Diesel

Construir um motor que utilizasse totalmente a energia do combustível era à idéia do Rudolf Diesel, o criador do motor que leva seu nome, desde os tempos em que cursava universidade no final do século XIX, em Munique na Alemanha.

Depois de desenvolver vários projetos, Diesel conseguiu patentear sua idéia em 22 de fevereiro de 1893. Após correções e ajustes o motor foi oficialmente apresentado ao mercado em 1898, com 10 cv de potência. Rapidamente o motor ficou conhecido e começou a ser fabricado em toda Alemanha, sendo as primeiras aplicações feitas em fábricas geradoras de energia. Uma das primeiras empresas a produzir o motor a diesel estacionário foi a Benz& Cia., que anos mais tarde se dividiria em duas, formando a MWM (Motoren Werke Manhein AG), que ficou com a produção de motores estacionários de grande porte, e a Daimler-Benz AG, para a fabricação de pequenos motores para automóveis. O motor é um equipamento que transforma alguma forma de energia, seja ela térmica, hidráulica, elétrica, nuclear etc.…, em energia mecânica. Conforme o tipo de energia que transforma, ele é classificado em motor de combustão, hidráulico, elétrico ou atômico. O motor a diesel aproveita a energia da queima do combustível dentro de uma série de câmaras e por isso é classificado como de combustão interna.

Bloco do Motor Diesel
O bloco de motor (figura 1) é considerado o elemento estrutural mais importante e um dos mais complexos do motor. É nos cilindros, parte integrante de sua estrutura, que acontece a compressão e explosão da mistura ar-combustível, necessária para a produção de energia pelo motor. Localizado entre o cárter e o cabeçote, o bloco aloja, entre outros, o virabrequim, os pistões e as bielas. A função destes componentes é transformar a energia térmica gerada durante a combustão em energia mecânica, gerada com o deslocamento do pistão (devido ao aumento de pressão no cilindro). Este trabalho é transformado em torque útil pelo virabrequim e está disponível no eixo do motor.

Figura 1

Dentre as principais partes de um bloco de motor está à face de fogo (figura 2). Ela é a face de junção do bloco com o cabeçote. As juntas que são colocadas entre a face do fogo do bloco e do cabeçote, pode ser de cobre, alumínio ou papelão normalmente composto por folhas prensadas, cuja função é auxiliar na vedação. As juntas precisam resistir a altas temperaturas por um longo período de tempo e serem suficientemente elásticas para que possam compensar qualquer irregularidade das superfícies intermediadas (TRAINING BOOK MWM MOTORES, 2006).

Figura 2

Bibliografia:
- BOULANGER, Pierre. Moteurs Diesel. 2° Edição, 1977. Hemus-livraria editora Ltda.
- TRAINING BOOK MMW. Manual técnico de operação e manutenção, 2006



Até a próxima.

MSc. Sander Gabaldo

Ferro Fundido Vermicular - CGI

Olá amigos, é com muito prazer que iniciaremos mais uma nova sequência de artigos técnicos a pedidos dos nosso leitores.

Você já ouviu falar no CGI ? ou no Compacted Graphite Iron, ou no "popular" Ferro Fundido Vermicular?

Muitos já devem conhecer a sua fama de "comedor" de pastilhas, ou a lenda de ser um material que contém "vermes" em sua estrutura, ou ainda "é um ferro fundido mais leve que o ferro fundido cinzento" (que na verdade é tão pesado quanto !!!!).



Nos próximos artigos irei publicar partes da minha tese de mestrado e de algumas experiências de campo na usinagem do ferro fundido vermicular - CGI.


Assim, esta nova etapa será composta das seguintes partes:
1 - Necessidades de um novo material para construção mecânica na indústria automotiva
2 - Blocos de motores a Diesel
3 - Materiais para fabricação dos blocos de motores a Diesel
4 -O ferro fundido vermicular - CGI
5 - Efeitos da grafita, perlita, nodularidade e elementos químicos na liga.
6 - Dificuldades na usinagem do bloco de motor
7 - Ferramentas de corte para usinagem do CGI e experiências de campo
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1 - Necessidades de um novo material para construção mecânica na indústria automotiva.

Basicamente, hoje a indústria automotiva utiliza dois tipos de materiais para a fabricação de blocos de motores, o ferro fundido cinzento e o alumínio. Entretanto, as Empresas estão sendo cada vez mais pressionadas pelas leis ambientais para a produção de motores mais eficientes reduzindo o consumo de combustível e a emissão de poluentes, ajudando a minimizar o aquecimento global !

Assim, novos materiais para construção mecânica são necessário. Materiais com propriedades mecânicas melhoradas (resistência mecânica, ductilidade, capacidade de amortecer vibrações) e excelente comportamento a altas temperaturas (boa condutividade térmica)

Como dizem os especialistas no assunto "que nada melhora tudo", essas novas características para o "novo" material proporciona durante o processo de manufatura uma baixa usinabilidade, sendo necessário a redução dos dados de corte na usinagem e consequentemente a redução da taxa de remoção, aumentando os tempos de ciclo afetando automaticamente os custos da produção (tempo de máquina e alto consumo de ferramenta).

Na Europa e nos Estados Unidos é comum encontrarmos carros e caminhões equipados com motores a diesel fabricados de ferro fundido vermicular. Segundo os fabricantes esse novo material tem como caracterísitcas atingir um novo conceito de motores automotivos baseados em :

• Necessidades técnicas: Qualidade, durabilidade e redução de tamanho.


• Leis regulamentadas: Quesitos ambientais (redução de combustível e poluentes).


• Satisfação dos clientes: Prazer ao dirigir, economia e redução dos custos.

Ainda de acordo com as empresas automobilísticas, existem projetos para diversos componentes hoje produzidos de ferro fundido cinzento para que passem a ser produzidos em ferro fundido vermicular em um futuro próximo. Abaixo encontramos esses componentes:

• Bloco de motores a diesel


• Cabeçotes


• Coletores


• Cárter


• Disco de freio


• Cubo de roda


• Carcaças de transmissão e turbinas

Por hoje é só, abraço e até a segunda parte.

Deixe seu comentário sobre o tema

MSc. Sander Gabaldo

Fluidos de corte - Experiências de campo

Prezados colegas,
esta é a última etapa do série sobre fluidos de corte e irei comentar algumas das minhas experiências no processo de fresamento em testes realizados em clientes dos segmento automotivo.

Caso 1: Pistão de direção
- Operação: abertura de rasgo com fresa Dc 25 mm e três dentes de corte.
- material: Aço SAE8620
- vc: 280 m/min
- ap: 2,0 mm - usinagem em rampa
- ap total: 20 mm
- fz: 0,2 mm
- tempo de corte: 1,0 minuto
- tempo total da peça: 1,5 minutos
- Vida da ferramenta: 260 peças (SEM refrigeração)
- Vida da ferramenta: 180 peças (COM refrigeração)

Processo ficou definido com a usinagem COM refrigeração, mesmo com vida útil menor. Durante os testes, 7 corpos de fresa foram quebrados usinando SEM refrigeração. Devido a fresa ser de diâmetro pequeno, tempo de corte alto e de intervalo entre o final e início de operação extremamente pequeno, a fresa ficava muito quente e as facas de corte se rompiam durante a usinagem. Assim, a refrigeração é indispensável neste tipo de usinagem ( e a fresa...nunca mais quebrou !!).

Caso 2: Carcaça de caixa de transmissão
- Operação: faceamento Dc 63 mm e seis dentes de corte.
- material: GG25
- vc: 240 m/min
- ap: 3,0 mm
- ae: 40 mm
- fz: 0,3 mm
- Vida da ferramenta: 60 peças (SEM refrigeração)
- Vida da ferramenta: 30 peças (COM refrigeração)

Caso 3: Cáliper
- Operação: faceamento com fresa disco Dc 260 mm e quatorze dentes de corte (Z7+7)
- material: GGG60
- vc: 340m/min
- ap: 3,0 mm
- ae: 100 mm
- fz: 0,2 mm
- Vida da ferramenta: 2000 peças (SEM refrigeração)
- Vida da ferramenta: 600 peças (COM refrigeração)

Assim , a definição do uso da refrigeração no processo de usinagem depende de um estudo detalhado de cada processo, entretando temos que ter como base a seguinte teoria:

• A usinagem de ligas termo resistentes realiza-se geralmente com baixas velocidades de corte. Em alguns casos é importante o usar refrigerante para lubrificação e resfriamento da peça, em especial na abertura de canais profundos.
• No acabamento de aço inoxidável e alumínio o refrigerante tem um efeito lubrificante e ajuda a escoar as micro-partículas que tendem a penetrar na textura superficial.
• Na usinagem de peças com paredes finas onde pode ocorrer deformação geométrica devido ao calor.
• Na usinagem de ferros fundidos cinzentos e nodulares, o refrigerante recolhe o pó do material disperso no ar (equipamento de aspiração também pode ser usado).
• Na expulsão e direcionamento dos cavacos (ar comprimido também pode ser usado
• Lavagem de dispositivos, pallets, peças, guias e outras partes da máquina (outros métodos também podem ser usados).
• Previne a corrosão das peças e partes vitais das máquinas.
• Fresas de diâmetro de corte pequeno e com grandes tempos de corte devem trabalhar com refrigeração.
• Fresas de diâmetro de corte grande e pequenas larguras de corte (ae) ou grandes cortes interrompidos, devem trabalhar sem refrigeração.
• Se a peça vem "molhada" de operações anteriores, a utilização da refrigeração pode ser indispensável (muito comum em blocos de motores !!!)

Então é isso, ficam algumas dicas e sugestões para a melhoria do processo de usinagem COM ou SEM refrigeração. Comente sua experiência sobre o tema também !!!

Grande abraço e até a próxima.
Msc. Sander Gabaldo.