materiais e ferramentas_de_corte

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MATERIAISE

FERRAMENTASDE CORTE

Professora: Maria Adrina Paixão de Souza da Silva, Dra. Eng.

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁINSTITUTO DE TECNOLOGIA DA UFPA

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICADISCIPLINA: USINAGEM DOS METAIS

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CONSIDERAÇÕES INICIAISEvolução:

50 mil anos atrás (Paleolítico – Pedra Lascada):

Emprego de ferramentas de pedra com gumes afiados por lascamento, adaptando a geometria de corte à tarefa a ser realizada




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CONSIDERAÇÕES INICIAISEvolução:

•50 mil anos atrás – Pedras

•1868 – Aço Ferramenta

•1900 – Aço Rápido

•1922 – Ligas Fundidas

•1926 – Metal Duro (Widia – de wie Diamant “como o diamante”)

•1930 – Metal Duro mais complexos

•1938 – Cerâmicas

•1939 – Aços Super-Rápidos

•Década de 1950 – Nitreto de boro cúbico

•Década de 1970 – Diamante mono e policristalino




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A lista refere-se à materiais para ferramenta de corte, seqüenciadas de acordo com a ordem crescente que foram surgindo.

A medida que se desce na lista, a dureza aumenta e tenacidade diminui.

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CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS PARA FERRAMENTAS

Segundo a ordem cronológica em que foram desenvolvidos podemos agrupar, de modo geral, os materiais para ferramenta da seguinte maneira:

1 - Aços-carbono (aço-ferramenta), sem elementos de liga ou com baixos teores de liga;

2 - Aços rápidos;

3 - Ligas fundidas;

4 - Metal duro;

5 - Materiais cerâmicos;

6 - Outros materiais para ferramentas.




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Variação da dureza de alguns materiais de ferramentas de corte com a temperatura

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Agora para a escolha do melhor material para ser utilizado em uma ferramenta de corte depende de uma série de fatores, dentre eles:

• Material a ser usinado;

• Natureza da operação de usinagem;

• Condição da máquina operatriz;

• Forma e dimensões da própria ferramenta;

• Custo do material para a ferramenta;

• Emprego de refrigeração ou lubrificantes etc.




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Aço-Ferramenta

De acordo com a classificação AISI (American Iron and Steel Institute), os aços ferramenta podem ser classificados (“W” de water hardening):




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Aço-Ferramenta

O carbono é o elemento mais importante, sob o ponto de vista do controle das propriedades do aço. Os dados apresentados a seguir indicam os valores relativos de tenacidade e dureza para diferentes teores de carbono.




0,50% C – simplesmente tenaz;0,60% C – muito tenaz, com características adequadas para têmpera e revenido;

resistente ao choque;0,70% C – tenacidade excelente e apresentando ainda gume cortante; resistente ao

choque;0,80% C – tenaz e resistente ao choque;0,90% C – gume cortante satisfatório, mas tenacidade ainda sendo um fator

importante;1,00% C – gume cortante e tenacidade aproximadamente idênticos;1,20% C – grande dureza aliada a certa tenacidade;1,30% C – grande dureza no gume cortante; a tenacidade é fator secundário1,40% C – o primeiro requisito é a máxima dureza no gume cortante.

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Aço-Ferramenta

Outros elementos de liga presentes nos aços ferramenta atuam da seguinte maneira:Silício – normalmente presente como elemento desoxidante; qualquer outro efeito aparece somente se seu teor ultrapassar 0,50%

Manganês – influência na temperabilidade mais fortemente que o silício, entretanto essa influência é relativamente pequena, em face do teor normalmente baixo em que o manganês está presente nesses aços;




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Aço-Ferramenta

Enxofre e fósforo - aparecem nesses aços em teores geralmente abaixo de 0,03%, resultando em efeito insignificante sobre as propriedades do material;

Vanádio - adicionado até no máximo 0,50%, apresenta como principal efeito o de impedir o crescimento de grão do aço, devido ao fato de formar carboneto de vanádio muito estável, o qual não se dissolve na austenita às temperaturas normais de tratamento térmico.

Cromo – contribui para melhorar a temperabilidade do aço, sendo portanto indicado para aplicações em que as peças produzidas sejam de dimensões acima das normais, e também a presença de cromo impede a formação de pontos moles em peças de quaisquer dimensões.




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Aço-Ferramenta




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Aço-Ferramenta




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Aço-Ferramenta

Áreas de aplicação dos aços-ferramentas

-Materiais de baixa velocidade de corte (Vc)

-Usinagem de aços doces com Vc < 25m/min

-Brocas para uso doméstico

- Ferramentas para carpintaria




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Aços-Rápidos

-Principais elementos constituintes (W, Mo, Co, V), elementos que conferem alta tenacidade às ferramentas.

-Dureza de 60 a 67 HRC

-Resistem a temperatura de até aproximadamente 520 a 600°C

- Clássico 18 (%W) - 4 (%Cr) – 1 (%V)

- Aço super rápido adição de Co

- Tratamento térmico complexo

- preço elevado




Características

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Aços-Rápidos

– Composição química usual (5 a 7% formam carbonetos):

0,6 a 1,6% C4% Cr7 a 10% W85 a 89% Fe4 a 5% Mo0,9 a 3% V

– Designação: HS + % W - Mo - V - Co (ex.: HS 10-4-3-10).




Características

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Aços-RápidosSubdivisão em 4 grupos, segundo o teor de W e Mo




Características

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Aços-Rápidos– Grupo 1● alto teor de W (até 18%)● bom revenimento● empregado para desbaste de aço e ferro fundido

– Grupo 2● teores de W de até 12%● crescente teor de V● revenimento um pouco pior que grupo 1● empregado para acabamento de materiais ferrosos e na usinagem demateriais não-ferrosos● para ferramentas com forma complexa (boa maleabilidade e tenacidade)

– Grupos 3 e 4● W + Mo (Mo substitui W)● possui tenacidade muito boa● empregado para todos tipos de ferramentas




Características

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Aços-Rápidos

– Aumento no teor de elementos de liga:

● Maior produtividade destes materiais;

● Aumento na resistência ao desgaste;

● Aumento na vida das ferramenta;

● Porém torna-se mais difícil a fabricação deste material;

● Maiores custos de produção




Influência dos Elementos de Liga

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Aços-Rápidos

● Tungstênio (W)– formador de carbonetos– melhora revenimento– melhora resistência aoDesgaste

● Vanádio (V)– Formador de carbonetos– melhora resistência aodesgaste (resist. aquente)– usado para acabamento




Influência dos Elementos de Liga

● Molibdênio (Mo)– melhora temperabilidade– melhora tenacidade– substitui W

● Cobalto (Co)– eleva temperatura desensibilização a quente– melhora dureza a quente– melhor solubilidade decarbonetos

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Aços-Rápidos

➔ Aço-rápido com revestimento (TiC, TiN):

● Menor atrito;

● Redução no desgaste;

● Maior estabilidade química;

● Proteção térmica do substrato




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Aços-Rápidos

Dureza a quente – capacidade de resistir ao amolecimento a temperaturas elevadas;

Resistência ao desgaste – capacidade da seção da ferramenta que está em contato com a peça sob usinagem de suportar a abrasão a que está submetida;

Tenacidade - adequada combinação de resistência mecânica e ductilidade do material da ferramenta




Propriedades dos aços-rápidos

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Aços-Rápidos





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Aços-Rápidos





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Aços-Rápidos

-Alargadores

-Fresas de todos os tipos

-Ferramentas de plainar

-Escareadores

-Ferramentas para trabalho a frio

-Ferramentas para trabalho em madeira

- outras.




Áreas de aplicação dos aços-rápidos

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Ligas Fundidas para Ferramentas

-Composição típica:

➔ 3% Fe ➔ 17% W ➔ 33% Cr ➔ 44% Co

- Resistem a temperatura entre aproximadamente 700 a 800°C

- W → Mn, Mo, V, Ti e Ta

- Tratamento térmico complexo

- Preço elevado




- Características -

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Stellite

Tantung

Rexalloy

Chromalloy




- Nomes comerciais -

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-Raro em ferramentas para usinagem de geometria definida

- Material para abrasivos

- Isoladores térmicos, isoladores elétricos

- Fundição de materiais cerâmicos

- outros




- Áreas de Aplicação das Ligas Fundidas -

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Metal Duro (Widia)

Desenvolvimento 1926 – Leipzig

Material de ferramenta mais utilizado na indústria

Indústria automobilística consome cerca de 50% das ferramentas de metal duro produzidas no mundo

Resistem a temperatura de até aproximadamente 1000°C (mesma dureza que o aço rápido à temperatura ambiente)

Maiores Vc (velocidades de corte) com relação as ligas fundidas, aços rápidos e aços ferramenta

- Aumento na vida útil das ferramentas na ordem de 200 a 400%




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Metal Duro (Widia)




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Metal Duro (Widia)

Composição típica: 81% W, 6% C e 13% Co – (WC-Co)

● Algumas razões do sucesso deste material:

– Grande variedade de tipos de metal duro (adição de elementos deliga);– Propriedades adequadas às solicitações em diferentes condições– Possibilidade de utilização de insertos intercambiáveis– Estrutura homogênea (processo de fabricação)– Dureza elevada;– Resistência à compressão;– Resistência ao desgaste a quente.




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Metal Duro (Widia)

-Boa distribuição da estrutura

-Boa resistência à compressão

-Boa resistência ao desgaste a quente

-Possibilidade de se obter propriedades específicas

-A princípio utilizado para a usinagem de materiais fundidos

-Anos 70 (seculo XX)- surgimento de metais duros revestidos

- Primeiros Cermets® (metais duros à base de TiC) – elevadas velocidades de corte - 1973 - Japão





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Metal Duro (Widia)

Metais duro à base de TiC-TiN-Co, Ni

● Grande dureza, baixa tendência à difusão e à adesão, boa resistência a quente

● Apropriados para o acabamento de aços (torneamento e fresamento)




- Cermets -

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Metal Duro (Widia)

É um grupo intermediário entre os metais duros e as cerâmicas. Constituído por TiC e TiN e geralmente tem o Ni como elemento ligante.

Devido à baixa condutividade térmica e ao alto coeficiente de dilatação, os cermets têm um baixo coeficiente de resistência ao choque térmico, bem inferior ao do metal duro.

Daí a explicação do cermets só ser eficiente em baixos avanços, pequenas profundidades de corte e altas velocidades (operações de acabamento) na usinagem dos ferrosos.




- Cermets -

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Metal Duro (Widia)




- Fabricação -

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Metal Duro (Widia)




- Fabricação -

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Metal Duro (Widia)

Carbonetos:

● fornecem dureza a quente e resistência ao desgaste (WC, TiC,TaC, NbC, ...)

Ligante metálico:

● Atua na ligação dos carbonetos frágeis (Co ou Ni);

– Obtido por sinterização (ligante + carbonetos)




- Estrutura -

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Metal Duro (Widia)




- Estrutura -

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Metal Duro (Widia)

Carboneto de tungstênio (WC)

-Solúvel em Co → alta resistência de ligação interna e de gume

-Boa resistência ao desgaste abrasivo (melhor que TiC e TaC)

-Limitações de velocidades de corte devido à tendência à difusão em temperaturas elevadas)




- Propriedades dos componentes -

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Metal Duro (Widia)

Carboneto de Titânio (TiC)

-Baixa tendência à difusão

-Boa resistência à quente

-Pequena resistência de ligação interna → baixa resistência de gume

- Os metais duros com alto teor de TiC são frágeis





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Metal Duro (Widia)

Carboneto de Nióbio (NbC)

- Em pequenas quantidades → refino do grão → proporciona um aumento de tenacidade e de resistência do gume

- A resistência interna do metal duro cai menos do que quando é utilizado TiC





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Metal Duro (Widia)

Carboneto de Tântalo (TaC)

- Em pequenas quantidades → refino do grão → proporciona um aumento de tenacidade e de resistência do gume

- A resistência interna do metal duro cai menos do que quando é utilizado TiC





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Metal Duro (Widia)

Nitreto de titânio (TiN)

- Componente de maior influência nas propriedades dos Cermets

- Menor solubilidade no aço

- Maior resistência à difusão que o TiC

- Alta resistência ao desgaste

- Estrutura de grãos finos





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Metal Duro (Widia)

Cobalto (Co)

- Melhor metal de ligação para metais duros com base em WC

- Boa solubilidade do WC

- Bom ancoramento dos cristais de WC





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Metal Duro (Widia)




- Grandezas de influência sobre a resistência-

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Metal Duro (Widia)

Divididos em três grupos (P,K e M) e classificados de acordo com à tenacidade e resistência ao desgaste, de acordo com uma numeração (p. ex. P01, P10,..., K10, ...)




- Classificação -

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Metal Duro (Widia)




- Classificação -

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Metal Duro (Widia)– Grupo P

● Alta resistência a quente

● Pequeno desgaste abrasivo

● Empregado para usinagem de aços com cavacos longos

– Grupo M

● Média resistência a quente

● Média resistência à abrasão

● Para aços resistentes a altas temperaturas, aço inoxidável, aços

resistentes à corrosão




- Classificação -

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Metal Duro (Widia)

– Substrato tenaz com revestimento duro (TiC, TiN, Ti(C,N), Al2O3, ...), combinando-se assim uma alta resistência a choques com alta resistência a desgaste (maior vida de ferramenta).

– É freqüente a deposição de várias camadas

– Processos de revestimento

● CVD (chemical vapour deposition)● PVD (physical vapour deposition)

– Exigências aos revestimentos

● Espessura regular da camada sobre a face e flancos● Composição química definida● Possibilidade de fabricação em grandes lotes




- Revestidos -

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Metal Duro (Widia)

Principais revestimentos

– Carboneto de Titânio (TiC)

– Nitreto de titânio (TiN)

– Carbonitreto de titânio (Ti(C,N))

– Nitreto de alumínio-titânio ((Ti, Al)N)

– Óxido de Alumínio (Al2O3)

– Camadas de diamante




- Revestidos -

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Metal Duro (Widia)




- Revestidos -

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Metal Duro (Widia)

-Ferramentas para quase todas as operações de usinagem (sob a forma de insertos)

-Ferramentas para desbaste e acabamento

-Brocas helicoidais

-Brocas para furação profunda

-Fresas de topo

-Brochas

-Alargadores

- outros




- Áreas de aplicação -

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Cerâmicas de Corte




- Classificação -

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Cerâmicas de Corte




- Generalidades --Alta resistência à compressão

-Alta estabilidade química

-Limitações na aplicação devido ao comportamento frágil e à dispersão das propriedades de resistência mecânica

-Indispensável em áreas como fabricação de discos de freio

-Materiais de importância crescente

-Melhoria constante na qualidade

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Cerâmicas de Corte




- Propriedades e características de cerâmicas -

-Resistentes à corrosão e às altas temperaturas

-Elevada estabilidade química (boa resistência ao desgaste)

-Resistência à compressão

-Materiais não-metálicos e inorgânicos

-Ligação química de metais com não metais

- Podem ser óxidas ou não óxidas

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Cerâmicas de Corte




- à base de Al2O3 --Surgiram a partir do final dos anos 30

-Tradicional – cerâmica branca

- Percentual de Al2O3 maior que 90% (cor branca)

- Al2 O3 + óxido de zircônio finamente distribuído

- Apresentam alta dureza a quente

- Têm pouca resistência à flexão

- Extremamente sensíveis a choques térmicos (usinagem a seco)

- Empregadas em ferros fundidos e aços de alta resistência

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Cerâmicas de Corte




- Óxidas –- Cerâmicas mistas -

- Teor de Al2O3 menor que 90% (cor escura)

- Contém de 5 a 40% de TiC e/ou TiN

- Mais tenaz que cerâmica óxida e com maior resistência de canto e gume

- Mais dura e mais resistente à abrasão que cerâmica óxida

- Mais resiste a variações de temperatura que cerâmica óxida

- Grãos finos => melhor tenacide, resistência ao desgaste e resistência de quina

- Maior dureza que as óxidas, maior resistência a choques térmicos

- Usinagem de aços cementados e temperados

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Cerâmicas de Corte




- Óxidas --Cerâmicas de corte reforçadas com

whiskers --Whiskers – cristais unitários em forma de agulhas com baixo grau de imperfeição no retículo cristalino

- A base de Al2O3 com aproximadamente 20 até 40% de whiskers de carboneto de silício (SiC)

- Objetivo de melhorar as propriedades de tenacidade (aumento de 60%).

- Boa resistência a choques térmicos - corte com fluidos

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Cerâmicas de Corte




- Não óxidas -

Definição: São cerâmicas a base de carbonetos, nitretos, boretos, silicatos, etc.

● Principalmente a base de Si3N4

● Maior tenacidade e resistência a choques térmicos quando comparadas às cerâmicas óxidas;

● Elevada dureza a quente e resistência ao calor

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Cerâmicas de Corte




- Não óxidas --Campos de aplicação de cerâmicas de

corte não-óxidas -● usinagem do Ferro Fundido Cinzento

● torneamento de discos de freio

● desbaste de ligas à base de níquel (grupos II e III)

● Possuem alta afinidade com ferro e oxigênio (desgastam-se rapidamente na usinagem de aço - sem aplicações);

– Desgaste na superfície de saída;– Gume de corte com tendência ao arredondamento

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Materiais de corte superduros não-

metálicos




● Nitreto de Boro Cúbico – CBN

● Diamante

● Nitreto de Boro

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Nitreto de Boro Cúbico – CBN




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➔ Caracterísiticas

-Forma mole - hexagonal (mesma estrutura cristalina do grafite)

-Forma dura - cúbica (mesma estrutura do diamante)

-Wurtzita - simetria hexagonal (arranjo atômico diferente do grafite)

-Fabricação de Nitreto de boro hexagonal através de reação de halogêneos de boro com amoníaco

-Transformação em nitreto de boro cúbico através de altas pressões (50 a 90 kbar) e temperaturas 1800 a 2200K

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➔ Caracterísiticas-Segundo material de maior dureza conhecido

-Obtido sinteticamente (primeira síntese em 1957), com transformação de estrutura hexagonal para cúbica (pressão + temperatura)

-Quimicamente mais estável que o diamante (até 2000 graus)

- Grupos de ferramentas:● CBN + fase ligante (PCBN com alto teor de CBN);● CBN + carbonetos (TiC + fase ligante);● CBN + HBN + fase ligante (maior tenacidade).

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➔ Campo de aplicações

● Aços temperados com dureza > 45 HRC: Torneamento, fresamento, furação;

● Aço-rápido (ferramentas de corte);● Aços resistentes a altas temperaturas;● Ligas duras (Ni, Co, ...);● Emprego em operações severas (corte interrompido), tanto quanto em operações de desbaste e acabamento.

– Usinagem com ferramentas de geometria não-definida:● Possibilidade de usinagem de aços e ferros fundidos, que não são usinados com diamante em função da afinidade química.

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Diamante




➔ Características● Material de maior dureza encontrado na natureza● Pode ser natural ou sintético● Monocristalino (anisotrópico) ou policristalino (isotrópico)

– Diamante policristalino● Primeira síntese em 1954● Síntese sob 60 a 70 kbar, 1400 a 2000 graus C● Cobalto é usado como ligante● Substitui metal-duro e diamante monocristalino, em alguns casos

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Diamante




- policristalino PKD - aglomerado de diamantes

- monocristalino

- revestimento

- Formas de utilização -

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Diamante




● Usinagem de ferro e aço não é possível (afinidade Fe-C);

● Usinagem de metais não ferrosos, plásticos, madeira, pedra, borracha, etc.

● Usinagem de precisão e ultra-precisão

● Emprego de altas velocidades de corte;

● Tempos de vida de até 80 vezes maior que os das ferramentas de metal duro.

- Campo de aplicação -

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Considerações gerais sobre Ferramentas de

corte




➔ Manuseio e manutenção de ferramentas de corte

➔ Evitar o contato entre ferramentas

➔ Cuidados no armazenamento

➔ Danificações no manuseio (quebras)

- Cuidados com ferramentas de corte -

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corte





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corte




Manutenção e gerenciamento das ferramentas de corte● Limpeza● Prevenção contra oxidação

Aplicação de tecnologia de grupo e manutenção de ferramentas de corte

● Ferramentas adequadas aos processos● Cuidados no preparo e instalação● Condições de corte adequadas


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ConsideraçõesFinais

Considerando os principais grupos de materiais para ferramentas, a tabela que se segue apresenta alguns dados comparativos de custo e eficiência de corte, baseados em bits quadrados de 3/8” de seção, empregados na usinagem de aço SAE 4140 encruado. Foi considerado um custo total de mão-de-obra e despesas indiretas de US$ 6,00 por hora




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A figura a seguir representa a variação da dureza de 4 tipos de materiais para ferramentas em função da temperatura.




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A seleção de um material para ferramenta depende, contudo, de muitos outros fatores, além do seu custo inicial e das suas características físicas.

Para esses fatores, incluem: o metal sob usinagem, a natureza da operação de usinagem, as condições das máquinas operatrizes, tipo e dimensões da ferramenta, utilização ou não da refrigeração. Enfim, a seleção não é simples e deve também ser baseada em dados práticos disponíveis, assim como em experiências prévias.




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Bibliografias• ABREU FILHO, Carlos. Tornearia Mecânica – Notas de

Aula, Belém, 2007.

• AGOSTINHO, Oswaldo Luis. VILELLa, Ronaldo Castro (In Memoriam), BUTTON, Sérgio Tonini. Processos de Fabricação e Planejamento de Processos. Universidade Estadual de Campinas - Faculdade de Engenharia Mecânica - Departamento de Engenharia de Fabricação - Departamento de Engenharia de Materiais. Campinas, SP. 2004

• BRAGA, Paulo Sérgio Teles, CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção – Mecânica - Processos de Fabricação, SENAI/CST, Vitória, ES. 1999.

• COSTA, Éder Silva & SANTOS, Denis Júnio. Processos de Usinagem. CEFET-MG. Divinópolis, MG. março de 2006




80

Bibliografias• DINIZ, A. E., Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 3 ed.

São Paulo: Artliber Editora, 2003.

• FERRARESI, Dino. Fundamentos da Usinagem dos Metais. Editora Edgard Blücher LTDA. São Paulo, SP, 1977

• INMETRO. SISTEMA Internacional de Unidades – SI (tradução da 7ª edição do original francês “Le Système International d’Unités”, elaborada pelo Bureau International des Poids et Mesures - BIPM). 8ª edição Rio de Janeiro, 2003. 116 p.

• INMETRO. Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia – VIM – Portaria Inmetro 029 de 1995. 3ª edição, Rio de Janeiro, 2003. 75p.

• reimpressão.




81

Bibliografias• PALMA, Flávio. Máquinas e Ferramentas. Apostila,

SENAI-SC, Blumenau, 2005.

• SECCO, Adriano Ruiz; VIEIRA, Edmur & GORDO, Nívia. Módulos Instrumentais – Metrologia. Telecurso 2000. São Paulo, SP, 2007

• VAN VLACK, L. H., Princípios da Ciência e Tecnologia dos Materiais. Tradução Edson Carneiro. Rio de Janeiro: Elsevier, 1970 – 4ª reimpressão.




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