Análise da integridade da região abaixo da superfície no torneamento de materiais endurecidos com ferramentas de PCBN e metal-duro

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016.Ao longo das etapas de manufatura de um componente mecânico, os processos de fabricação afetam diretamente o estado microgeométrico da superfície e as propriedades do material nas camadas da subsuperfície. Fenômenos como a formação de camada branca, deformação plástica e o cisalhamento de carbonetos, por exemplo, impactam diretamente no desempenho do componente, principalmente quanto a vida por fadiga, pois as regiões afetadas são propensas a nucleação e propagação de trincas. Aços endurecidos têm sido empregados na fabricação de engrenagens, rolamentos, matrizes e demais componentes críticos de engenharia, os quais necessitam de elevada resistência ao desgaste, o que torna relevante o estudo da integridade da superfície. O processo de torneamento de materiais endurecidos tem se tornado uma possibilidade à retificação, reduzindo custos e tempos. Devido aos elevados custos das ferramentas empregadas no torneamento, como o PCBN e cerâmicas, e com o consequente desenvolvimento de tecnologias de revestimento e redução de grãos, ferramentas de metal-duro têm despontado como uma alternativa economicamente viável para este tipo de operação. Assim, este trabalho visa avaliar a integridade da superfície para os aços AISI 4340, AISI 52100 e AISI D2, em seis valores de dureza, usinados com ferramentas de PCBN e metal-duro de grãos ultrafinos. Primeiramente foram avaliadas as rugosidades 2D e 3D das superfícies usinadas e verificou-se que para durezas até 50 HRC, ambas as ferramentas de corte apresentaram comportamentos similares, em termos de acabamento da superfície. Entretanto, acima deste valor, a usinagem com ferramenta de metal-duro apresentou maiores instabilidades, gerando superfícies com baixo desempenho funcional. Este comportamento está associado à geometria da ferramenta e às características microestruturais dos materiais. Posteriormente, foram analisadas as alterações microestruturais e verificou-se que o fator dureza não é determinante no comportamento das superfícies usinadas, mas sim a microestrutura. Outra característica observada em quase todos os ensaios é que a camada submetida a alteração é muito fina, resultado este associado aos parâmetros de corte e às geometrias das ferramentas. Em relação aos materiais, os três aços apresentaram camada branca por transformação de fase e no aço AISI D2, em específico, foi observado o cisalhamento de carbonetos.Abstract : Along a mechanical component manufacturing steps, manufacturing processes directly affect the microgeometric surface condition and material properties in the subsurface layers. Phenomena such as the formation of white layer, plastic deformation and shear carbides, for example, directly impact on component performance, especially as the fatigue life, as the affected areas are prone to nucleation and propagation of cracks. Hardened steels have been employed in the manufacture of gears, bearings, dies and other critical components of engineering, which require high wear resistance, which makes it relevant to the study of surface integrity. Hard turning has become an alternative to grinding, reducing costs and time. Due to the high cost of the tools, PCBN and ceramics, for example, and the consequent development of coating and reduction grains technologies, carbide tools has emerged as an economically viable alternative to this type of operation. Thus, this study aims to evaluate the surface integrity to the AISI 4340, AISI 52100 and AISI D2 steels in six hardness values, machined with PCBN and carbide ultrafine grains tools. First were evaluated 2D and 3D roughness of the machined surfaces and it was found that hardness up to 50 HRC, both cutting tools showed similar behavior in terms of surface finish. However, above this value, the machining with carbide tool showed higher instabilities, generating surfaces with low functional performance. This behavior is associated with the geometry of the tool, the elevation of the components of the machining force and microstructural characteristics of materials. Subsequently, the microstructural changes were analyzed and it was found that the hardness is not decisive factor in the behavior of the machined surfaces, but the microstructure. Another feature observed in almost all tests is that the layer subject to change is too thin, a result that is associated with the cutting parameters and geometries of the tools. About materials, AISI 4340 and AISI 52100 steel showed white layer by phase transformation and the steel AISI D2 carbides shear. In the three materials was observed the occurrence of plastic deformation. Regarding the performance of cutting tools, the biggest changes were observed for steels from 55 HRC, machined metal-hard tool