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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Desempenho de diferentes materiais de ferramentas de corte no torneamento de acabamento da liga de titânio Ti-6Al-4V com a tecnologia de aplicação de fluido de corte à alta pressão
Alternate title (s): Performance of different cutting tool materials in finish turning of Ti-6Al-4V alloy with high pressure coolant supply
Author: Silva, Rosemar Batista da
First Advisor: Machado, álisson Rocha
First coorientator: Ezugwu, Emmanuel Okechukwu
First member of the Committee: Lacerda, Helder Barbieri
Second member of the Committee: Boehs, Lourival
Third member of the Committee: Silva, Márcio Bacci da
Fourth member of the Committee: Sales, Wisley Falco
Summary: Este estudo visa avaliar a usinabilidade da liga de titânio Ti-6Al-4V utilizando várias classes de diferentes materiais de ferramentas de corte tais como metal duro sem revestimento (insertos T1 e T3) e com revestimento (insertos T2 e T4), PCD insertos: T5 e T6, CBN insertos: T7,T8 e T9, cerâmicas Whiskers (inserto T10), e nano-cerâmicas à base de alumina (inserto T11) e à base de nitreto de silício (inserto T12) em diferentes atmosferas de usinagem (fluido de corte aplicado a altas pressões (HPC) de 7 MPa; 11 MPa and 20,3 MPa, argônio e aplicação de fluido de corte convencional) e em elevadas condições de corte típicas de acabamento (velocidade de corte de 100 m min-1 a 500 m min-1, com avanço de 0,15 mm volta-1 e profundidade de corte de 0,5 mm constantes). Foram monitorados a vida das ferramentas bem como os mecanismos e tipos de desgaste, as forças de usinagem, a integridade superficial, a rugosidade das superfícies usinadas, a circularidade e os tipos e classes de cavacos produzidos. Os resultados foram utilizados para avaliar a eficiência das diferentes ferramentas de corte e atmosferas de usinagem empregadas na usinagem da liga Ti-6Al-4V. Os resultados mostraram que as ferramentas de PCD e metal duro tiveram o melhor desempenho, em termos de vida de ferramenta, que as demais ferramentas testadas. Em geral, as ferramentas com tamanho de grãos maior, metal duro (T1 e T4) e PCD (T5), apresentaram o melhor desempenho, em termos baixa taxa de desgaste e, consequentemente, vida mais longa, comparada com as ferramentas com tamanho de grãos menores (classes T2,T3 e T6). A utilização da técnica HPC mostrou ser eficiente na usinagem da liga Ti-6Al-4V, em termos de aumento de vida da ferramenta e, consequentemente, de aumento de produtividade, em relação à técnica de aplicação de fluido de corte convencional e com utilização de argônio nas condições investigadas. Em geral, a vida das ferramentas aumentaram com o aumento da pressão de aplicação de fluido de corte devido à sua capacidade de reduzir a área de contato cavaco-ferramenta e de quebrar o cavaco mais eficientemente e, portanto, propiciando uma melhor condição de lubrificação na interface cavaco-ferramenta com conseqüente redução de atrito. A utilização do argônio na usinagem com as ferramentas T1, T4 e T10 nas condições investigadas apenas evitou com que o centelhamento e ignição do titânio ocorresse, além de não propiciar aumento de vida da ferramenta, provavelmente devido à supressão das características de refrigeração e lubrificação que o argônio tem. As ferramentas de PCD apresentaram uma vida cerca de 8 vezes maior que as ferramentas de metal duro quando empregadas com aplicação de fluido de corte convencional. Todas as classes de ferramentas de CBN, em geral, apresentaram baixo desempenho em termos de vida de ferramenta devido ao acelerado desgaste na ponta da ferramenta e, em certos casos, lascamentos da aresta de corte que estão associados com a relativa alta taxa de difusão que ocorre durante a usinagem com titânio, que tende a diminuir a forças de ligações entre os átomos do substrato. Todas as ferramentas de cerâmicas testadas não demonstraram desempenho satisfatório em termos de desgaste e de vida ferramenta durante a usinagem da liga Ti-6Al-4V por causa da ocorrência de desgaste abrasivo e de lascamento da aresta de corte, como também da produção de superfícies usinadas com pobre acabamento superficial. O desgaste de ponta foi o tipo de desgaste predominante durante a usinagem com as ferramentas de metal duro, PCD e CBN (T7) devido à redução da área de contato cavaco-ferramenta e, consequentemente, ao aumento das tensões atuantes e aumento da temperatura na ponta da ferramenta. Já o desgaste de entalhe e lascamento ocorreram durante a usinagem com as ferramentas de CBN (T8 and T9) e com cerâmicas convencionais. O desgaste de entalhe também ocorreu de forma mais acentuada nas ferramentas de nano-cerâmicas, o que levou à falha catastrófica de tais ferramentas quando empregadas em velocidades de corte superiores a 110 m min-1. A usinagem com ferramentas de PCD geraram baixas forças de corte em relação às ferramentas de metal duro. Os valores de rugosidade superficial produzidos com as ferramentas de metal duro, PCD e CBN em geral ficaram abaixo do valor estipulado para critério de rejeição para torneamento de acabamento de 1.6 μm, enquanto que todas as ferramentas de cerâmicas produziram valores de rugosidade acima de 2 μm. A análise metalográfica das superfícies usinadas permitiu identificar pequenas marcas que não comprometeram as superfícies produzidas. A usinagem com ferramentas de metal duro produziu valores de dureza que variam aleatoriamente dentro dos limites inferior e superior de dureza da peça medidos antes da usinagem. Nenhuma evidência de deformação plástica nas superficies de titânio usinadas com todas as ferramentas e condições testadas. Em geral, a integridade superficial das superficies usinadas atendem à norma Rolls Royce CME 5043.
Abstract: This study investigated the machinability of Ti-6Al-4V alloy with newly developed cutting tools such as uncoated (T1 and T3) and coated (T2 and T4) cemented carbides, Polycrystalline Diamond (PCD) T5 and T6 inserts, Cubic Boron Nitride (CBN) T7,T8,T9 inserts, SiC Whiskers Reinforced Ceramic (T10) insert, and Al2O3 base (T11) and Si3N4 base nano-grain size ceramic (T12) inserts using various cooling environments such as high pressure coolant supplies at pressures of 7 MPa, 11 MPa and 20.3 MPa, argon enriched environment and conventional coolant flow at high speed machining conditions typical of finish turning operation. Tool life and failure modes, wear mechanisms, component forces generated, surface integrity, surface finish and chip form data were used to assess the performance of the different cutting tools and cooling environments investigated. PCD and carbide inserts gave the best performance, in terms of tool life, when machining Ti-6Al-4V alloy. In general coarser (T1 and T4) grain size carbides and PCD (T5) inserts gave the best overall performance in terms of lower wear rate hence longer tool life compared to finer grain (T2,T3 and T6) grades. Encouraging tool life can be achieved when machining with high pressure coolant supply relative to conventional coolant flow and in the presence of argon. Tool lives generally increased with increasing coolant pressure due to the ability of the high coolant pressure to reduce the tool-chip contact length/area and to lift the chip, thereby providing adequate lubrication at the tool-chip interface with consequent reduction in friction. Machining with T1, T4 and T10 inserts in presence of argon was only able to prevent chip ignition with no improvement in tool life, due probably to the suppression of the cooling and/or lubrication characteristics of argon gas when machining at cutting conditions investigated. Up to 8 fold improvement in tool life were achieved when machining with PCD inserts relative to carbide inserts under conventional coolant flow. All the grades of CBN inserts gave poor performance during machining due to accelerated nose wear and, in some cases, severe chipping of the cutting edge associated with a relatively high diffusion wear rate that tends to weaken the bond strength of the tool substrate. An increase in the CBN content tends to accelerate notch wear rate, consequently diminishing tool life under the cutting conditions investigated. Micron and nano-grain size ceramics did not demonstrate satisfactory performance in terms of tool wear rate and tool life, due to severe abrasive wear and chipping of the cutting edge, hence the poor machined surfaces generated. Nose wear was the dominating tool failure mode when machining with carbide, PCD and CBN (T7) inserts due to a reduction in tool-chip and tool-workpiece contact lengths and the consequent increase in both normal and shear stresses and temperature at the tool tip, while severe notching and chipping occurred when machining with CBN (T8 and T9) and micron grain size ceramics. Severe notching also occurred when machining with nano-grain ceramic inserts, often leading to catastrophic tool failure at speeds in excess of 110 m min-1. Machining with PCD tools gave lower cutting forces than carbides inserts. Surface roughness values generated with carbides, PCD and CBN inserts were generally within the 1.6 μm rejection criterion for finish machining and above 2 μm when machining with all grades of ceramics employed. Micrographs of the machined surfaces show that micro-pits are the main damage to the machined surfaces. Microhardness of the machined surfaces when machining with carbides varied randomly around the hardness values of the workpiece material prior to machining. Machining with PCD tools generally led to softening of machined surfaces. Increase in cutting speed generally led to increased hardness when machining with the larger grain size PCD (T5) tool using conventional coolant flow and with coolant pressures up to 11 MPa. No evidence of plastic deformation was observed on the machined surfaces and the surface integrity of the finish machined surfaces is generally in agreement with Rolls Royce CME 5043 specification.
Keywords: Liga de titânio
Fluido de corte à alta pressão
Várias ferramentas de corte
Vida de ferramenta
Integridade superficial
Titanium alloy
High coolant pressure
Various cutting tools
Tool life
Surface integrity
Usinagem
Fluidos de corte
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Language: por
Country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Institution Acronym: UFU
Department: Engenharias
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: SILVA, Rosemar Batista da. Performance of different cutting tool materials in finish turning of Ti-6Al-4V alloy with high pressure coolant supply. 2006. 32 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2006.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14790
Date of defense: 11-Aug-2006
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