Desenvolvimento e avaliação de ferramentas cerâmicas texturizadas a laser aplicadas no torneamento de aço endurecido

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2021.Ferramentas cerâmicas são amplamente empregadas em processos de usinagem por possuírem alta dureza, estabilidade química e resistência ao desgaste. Porém, são susceptíveis a choques térmicos, portanto o torneamento com ferramentas cerâmicas normalmente é realizado sem meios lubrirrefrigerantes. Para amenizar as desvantagens do torneamento a seco, tipicamente adota-se o uso de ferramentas revestidas, entretanto, em cerâmicas podem ocorrer problemas associados a adesão do substrato com o revestimento. Neste cenário, a texturização de ferramentas é uma das técnicas mais promissoras em relação à aplicação de conceitos tribológicos para aprimoramento da usinagem, uma vez que possui potencial para reduzir o atrito e a temperatura na zona de corte, ocasionando menor força de usinagem e desgaste da ferramenta. Contudo, o uso de ferramentas cerâmicas texturizadas ainda é um desafio, principalmente em razão das dificuldades relacionadas ao processo de texturização desses materiais, que pode resultar na fragilização do gume da ferramenta. Nesse contexto, este trabalho visa avaliar o processo de texturização a laser de ferramentas cerâmicas e comparar o desempenho dessas ferramentas com ferramentas cerâmicas convencionais e revestidas no torneamento do aço endurecido AISI 4340 (55 HRC). Primeiramente, ferramentas texturizadas fabricadas com diferentes parâmetros laser foram avaliadas no torneamento por meio do estudo do desgaste das ferramentas. Verificou-se que o processo de texturização a laser exerce grande influência na performance das ferramentas. Há um limiar de aporte térmico a partir do qual as modificações causadas no material cerâmico tornam inviável o torneamento. Ferramentas fabricadas com duração de pulso de 8 ns combinada com potência de 30 W apresentaram falha prematura, enquanto ferramentas produzidas com 2 ns e 50 W comportaram-se de forma estável durante o torneamento. Na segunda fase da pesquisa, duas ferramentas texturizadas (ferramenta com ranhuras paralelas ao gume principal e ferramenta com ranhuras cruzadas) foram comparadas às ferramentas convencional e revestida em relação à força de usinagem, desgaste das ferramentas e rugosidade das superfícies usinadas. A força de usinagem não foi alterada quando utilizadas as ferramentas texturizadas, no entanto, as texturas foram eficazes na redução do desgaste de entalhe das ferramentas. A morfologia e análises tridimensionais do desgaste revelaram entalhe mais intenso na ferramenta convencional, portanto, estima-se que as texturas modificaram o mecanismo de formação do entalhe e/ou promoveram melhor distribuição das tensões na região secundária de corte, gerando menor desgaste de entalhe nas ferramentas texturizadas. Em contrapartida, as texturas não foram eficientes a ponto de reduzir o entalhe ao mesmo nível do ocorrido na ferramenta revestida, na qual o revestimento de TiN propiciou maior tenacidade. Além disso, nas ferramentas texturizadas verificou-se que a fragilização do material cerâmico originada no processamento a laser favoreceu a abrasão das ranhuras localizadas no gume. Apesar disso, a maior de remoção de material ocorreu na ferramenta revestida uma vez que a abrasão do revestimento resultou em elevado desgaste de cratera. O menor desgaste de entalhe tanto na ferramenta revestida quanto nas ferramentas texturizadas foi decisivo para obtenção de superfícies usinadas com menor rugosidade.Abstract: Ceramic tools are widely applied in machining processes due to their high level of hardness, chemical stability, and wear resistance. However, ceramic tools have low resistance to thermal shock, thus turning with these tools is usually carried out without cutting fluid. To limit the drawbacks of dry turning, the use of coated tools is typically adopted, but in ceramics problems associated with the adhesion between the coating and ceramic substrate can occur. In this scenario, tool texturing is one of the most promising techniques regarding the employment of tribological concepts for improving machinability, since texturing has the potential to reduce friction and temperature in the cutting zone, causing less machining force and tool wear. Nevertheless, the use of ceramic textured tools remains a challenge, mainly due to the difficulties related to the texturing process of these materials that can cause the embrittlement of the tool cutting edge. In this context, this research aims to evaluate the laser texturing process of ceramic tools and to compare their performance to conventional and coated ceramic tools when turning the AISI 4340 hardened steel (55 HRC). Firstly, textured tools manufactured with different laser parameters were evaluated in turning by studying the tool wear. It was found that the laser texturing process has a great influence on the performance of the tools. There is a heat input limit from which the modifications caused in the ceramic material make turning unfeasible. Tools produced with a pulse duration of 8 ns and laser power of 30 W presented premature failure while tools manufactured with 2 ns and 50 W remained stable during turning. In the second phase of the research, two textured tools (a tool with grooves parallel to the main cutting edge and a tool with crossed grooves) were compared to conventional and coated tools based on analysis of the machining forces, the tool wear, and the roughness of the machined workpiece. The machining force was not changed when using textured tools, however, textures were effective in reducing notch wear. The morphology and the three-dimensional analysis of the wear exposed more intense notch on the conventional tool, therefore, it is estimated that the textures modified the mechanism of notch formation and/or the textures promoted better stress distribution in the secondary cutting region, generating lower notch wear in the textured tools. On the other hand, textures were not efficient enough to reduce the notch to the same level as that of the coated tool, in which the TiN coating provided higher toughness. Moreover, in the textured tools, the embrittlement of the ceramic material caused by laser processing promoted the abrasion of the grooves located at the cutting edge. Despite this, the higher material removal occurred in the coated tool since the coating abrasion resulted in high crater wear. The lowest notch wear on both coated and textured tools was decisive to obtaining machined surfaces with lower roughness