Eficácia extrema na maquinação de superligas

As ligas metálicas de estruturas complexas, também chamadas superligas, há muito que se tornaram um dos principais materiais de engenharia. Apresentam uma resistência extremamente elevada a altas temperaturas e são, portanto, frequentemente denominadas como superligas de alta temperatura (HTSA) ou superligas resistentes ao calor (HRSA).

A história das superligas começou com o desenvolvimento de motores de turbinas a gás que necessitavam de materiais fiáveis para intervalos de temperaturas de funcionamento elevadas. Como resultado da investigação intensiva e do progresso na metalurgia, as superligas modernas (SA) proporcionam uma longa vida útil para temperaturas de trabalho superiores a 1000 °C.

Compreensivelmente, os maiores consumidores de superligas na atualidade são os produtores de motores aeronáuticos e marítimos. As superligas são também muito comuns na indústria médica, que as utiliza eficazmente para implantes protésicos em cirurgia ortopédica. Além disso, as superligas também se generalizaram na produção de energia e nas indústrias do petróleo e do gás como materiais cruciais para as peças essenciais de diversos dispositivos.

As superligas são os principais materiais para os motores turborreatores e turbo-hélice dos aviões modernos. Motor a reação maquinado com os sistemas CUT-GRIP da Iscar.

A excecional resistência a altas temperaturas e a resistência à corrosão são as vantagens inegáveis das superligas. Contudo, existem duas faces da moeda: as superligas não só têm um preço elevado, como a sua maquinabilidade é fraca, o que pode colocar desafios para o fabrico. Para maquinar superligas, nas ferramentas de corte, a força de corte específica que caracteriza a resistência do material à extração de aparas e define a carga mecânica é muito elevada. Embora a principal dificuldade seja o calor, as superligas têm uma condutividade térmica fraca. As aparas elementares e soltas, que são geralmente geradas ao maquinar superligas, não proporcionam uma adequada dissipação de calor da zona de corte. Uma tendência para o endurecimento do trabalho agrava a situação.

As superligas (SA) apresentam-se em diferentes formas: fundidas, forjadas, sinterizadas, etc. Os métodos de fabrico das peças de trabalho também têm um impacto na maquinabilidade. Por exemplo, a abrasividade das peças de trabalho forjadas é maior do que a das peças de fundição e substancialmente menor em comparação com as peças sinterizadas.

De acordo com a norma ISO 513, as superligas juntamente com as ligas de titânio estão relacionadas com a aplicação do grupo ISO S. Dependendo do componente predominante, as superligas dividem-se em três tipos: ligas à base de ferro (Fe), de níquel (Ni) e de cobalto (Co). A maquinabilidade cai na ordem especificada; desde as ligas à base de ferro, que podem ser comparadas ao aço inoxidável austenítico, até às ligas à base de cobalto, que representam os materiais mais difíceis de cortar do grupo.

Consequentemente, uma ferramenta de corte está sob uma carga térmica e mecânica significativa, o que reduz drasticamente a vida útil da ferramenta. Portanto, na maquinação de superligas, a velocidade de corte diretamente relacionada com a geração de calor durante a eliminação de aparas é consideravelmente menor em comparação com outros materiais de construção mais comuns, como o aço ou o ferro fundido. O resultado direto da limitação da velocidade de corte é uma produtividade insuficiente. Portanto, superar as dificuldades da maquinação e aumentar a produtividade são os principais desafios para os fabricantes de peças SA.

O aumento da eficiência na maquinação das superligas tornou-se o foco de diversas investigações científicas e melhorias tecnológicas. Os fabricantes adotaram de forma efetiva novas estratégias de maquinação e foram introduzidos com sucesso métodos inovadores de fornecimento de refrigerante de corte, como o arrefecimento a alta pressão (HPC), a lubrificação de quantidade mínima (MQL) e, inclusivamente, o arrefecimento criogénico. Isto levou a produtividade das superligas de maquinação para um novo nível. Contudo, tal como no caso das ligas de titânio, o elemento-chave para melhorar a produtividade da maquinação são ferramentas de corte que eliminem diretamente as camadas de material da peça, produzindo aparas. Ferramentas definidas pelo seu material, sua geometria e pela estratégia de maquinação recomendada, o que determina o triunfo ou o fracasso da ferramenta.

Hoje em dia, os carbonetos cimentados revestidos são os materiais mais comuns das ferramentas de corte para a maquinação de superligas. O desenvolvimento de uma qualidade de carboneto, no qual a resistência térmica e a resistência ao desgaste se complementem mutuamente, é um processo complicado que requer um substrato do carboneto, uma composição de revestimento e um método de revestimento muito específicos. Para espanto daqueles que acreditam que as possibilidades de avançar nesta direção estão quase esgotadas, os produtores de ferramentas de corte continuam a criar novas qualidades eficazes de substrato. Além disso, na maquinação das superligas, a cerâmica é outro material de corte que permite aumentar substancialmente as velocidades de corte, e já se encontra em utilização ativa.

Sabemos que as ferramentas estão principalmente ligadas às ciências dos materiais e à metalurgia, mas a geometria de corte é muito importante no campo do design e ainda mais nestes materiais. Garantir uma geometria de alto desempenho requer conhecimentos profundos de engenharia e competências tecnológicas. Por um lado, para minimizar a geração de calor e o endurecimento, é necessário um ângulo de desprendimento positivo, um ângulo de incidência suficientemente grande e um fio de corte afiado. Por outro lado, tal forma debilita o fio de corte, que deve suportar uma carga mecânica muito considerável. Portanto, a condição do design correto torna-se num fator crítico de sucesso. As pastilhas de carboneto cimentado têm a vantagem de permitir a formação de aparas complexas e formas de rutura de aparas através da inserção de superfícies de desprendimento singulares. Hoje em dia, a modelação por computador da formação da apara e os processos de prensagem utilizando métodos de elementos finitos proporcionam uma ferramenta eficaz para otimizar as formas que já estão na fase de conceção. Nas fresas integrais de metal duro, a conceção de passo variável resulta numa melhor resistência à vibração. Os fios de corte destas fresas são feitos através de operações de retificação, e para eliminar a microrrutura e os defeitos dos fios, é muito importante o cumprimento rigoroso dos requisitos do processo tecnológico.

Os fabricantes de ferramentas de corte prestam muita atenção à melhoria das suas carteiras de produtos destinados à maquinação de superligas. As notícias da Iscar podem ser excelentes exemplos indicativos.

Maquinação de um componente de implante de joelho femoral com uma fresa Multi-Master e uma cabeça de barril cónico intercambiável.

A qualidade IC806, que se tinha introduzido nos últimos anos para superligas de ranhuramento frontal e aço inoxidável austenítico, foi adotada com sucesso pelas linhas de roscagem e perfuração profunda da ISCAR. Esta qualidade tem um substrato submicrómetro duro e um revestimento PVD TiAlN / AlTiN com tratamento posterior ao revestimento de acordo com a tecnologia SUMO TEC da Iscar. A IC806 proporciona uma notável resistência à descamação e à lascagem e mantém resultados fiáveis e repetíveis.

Na maquinação de superligas através de fresas integrais de metal duro e cabeças intercambiáveis, a qualidade IC902, que combina substrato de grão ultrafino e revestimento TiAlN PVD de nanocamada, garante uma resistência ao desgaste extremamente elevada e prolonga a vida útil da ferramenta. Esta qualidade demonstrou muito bons resultados na produção de elementos para a substituição das articulações do joelho e da anca que são feitas de ligas de cobalto-crómio difíceis de cortar.

A Iscar também ampliou significativamente a gama de produtos para aplicações ISO S feitos com diversas cerâmicas de corte, tais como nitreto de silício, SiAlON e qualidades reforçadas com fios de diversos ângulos e proteções. Os artigos cerâmicos recentemente introduzidos melhoraram e substituíram tanto pastilhas como fresas integrais de metal duro.

Figura 3: Os conformadores de aparas M3M (esquerda) e F3M (direita) recentemente introduzidos pela Iscar para pastilhas de torneamento ISO e concebidos especificamente para os grupos de aplicação ISO S e ISO M.

Os mais recentes modelos de conformadores de apara F3M e F3P para pastilhas de torneamento em conformidade com a norma ISO são especificamente concebidos para aço inoxidável austenítico duro e superligas. A sua geometria de ângulo de desprendimento positivo reduz a força de corte e garante uma ação de corte suave, ao passo que o conjunto de defletores na superfície do desprendimento melhora o controlo da apara.

Nas pastilhas cerâmicas de dupla face para ferramentas de torneamento e fresagem, foram acrescentadas novas opções de características de fio facetadas e combinadas (facetadas e arredondadas) para aplicações difíceis.

A Iscar foi o grande impulsionador da refrigeração a alta pressão, enriquecendo a gama de soluções destinadas à refrigeração através de novas cabeças intercambiáveis e porta-ferramentas. Todo o programa de fresas, porta-ferramentas, modulares ou não, cones, etc. Foi ampliado com versões com saídas de refrigerante que confluem no fio de corte.

Em conclusão, a necessidade de aumentar a produtividade na maquinação de HTSA é um desafio contínuo para os fabricantes de ferramentas de corte, e é provável que num futuro próximo sejam apresentados novos desenvolvimentos eficazes de ferramentas.