Influência dos parâmetros de usinagem na integridade da superfície e na geometria de engrenagens em aço inoxidável austenítico geradas por hobbing

Abstract

A fabricação de engrenagens cilíndricas em aço inoxidável austenítico representa um desafio tecnológico devido à sua elevada taxa de encruamento, alta ductilidade e baixa condutividade térmica, fatores que intensificam o desgaste da ferramenta e comprometem a qualidade superficial e geométrica do produto. Embora o hobbing seja o processo mais utilizado para geração de engrenagens externas, ele é tradicionalmente tratado como operação de desbaste que requer etapas posteriores de acabamento por retificação ou brunimento. A literatura carece de estudos experimentais sistemáticos que avaliem, de forma integrada, os efeitos do revestimento do hob, do nível de desgaste da ferramenta, dos parâmetros de corte e do controle térmico do fluido na integridade superficial e na precisão geométrica de engrenagens em aço inoxidável austenítico. Assim, a tese tem como objetivo demonstrar a viabilidade técnica da fabricação de engrenagens de qualidade em aço AISI 304(L) exclusivamente por hobbing, eliminando assim a necessidade de operações subsequentes de acabamento. Para isso, foi realizado um procedimento experimental em três etapas: (1) comparação entre hobs de metal duro revestidos com TiAlN e TiSiN, avaliando o desgaste progressivo da ferramenta e sua influência na rugosidade, nos desvios geométricos e na microdureza das engrenagens; (2) análise da influência da velocidade de corte (180, 240 e 300 m/min) e da refrigeração do óleo integral sobre a rugosidade, a microdureza, a geometria do perfil evolvente e as tensões residuais das engrenagens geradas por hobbing; (3) avaliação da estratégia de usinagem em duas operações (desbaste e acabamento) sob alta velocidade de corte (300 m/min) e óleo refrigerado. Os resultados indicaram que o revestimento TiAlN apresentou desgaste mais uniforme no hob. Além disso, níveis baixos e intermediários de desgaste favorecem a estabilização geométrica do perfil da engrenagem. O aumento da velocidade de corte, associado à refrigeração do óleo integral, reduziu a rugosidade e os desvios geométricos. A estratégia em duas operações proporcionou os melhores resultados de rugosidade, com valores de Ra entre 0,36 μm e 0,74 μm (classe N6–N7) e melhoria consistente na precisão do perfil longitudinal. Assim, mediante seleção apropriada do revestimento do hob, supervisão do estado da ferramenta, adequação dos parâmetros de corte e controle térmico do fluido, conclui-se que o hobbing pode ser tecnicamente viável na fabricação de engrenagens em aço inoxidável austenítico de alta qualidade, desta forma aumentando a produtividade e reduzindo os custos industriais.

The manufacturing of cylindrical gears in austenitic stainless steel poses a technological challenge due to its high work-hardening rate, high ductility, and low thermal conductivity, factors that intensify tool wear and compromise the surface and geometric quality of the product. Although hobbing is the most widely used process for generating external gears, it is traditionally regarded as a roughing operation that requires subsequent finishing operations by grinding or honing. The literature shows a scarcity of systematic experimental studies that jointly evaluate the effects of hob coating, tool wear level, cutting parameters, and oil thermal control on the surface integrity and geometric accuracy of austenitic stainless-steel gears. Thus, the present thesis aims to demonstrate the technical feasibility of manufacturing AISI 304(L) steel gears solely by hobbing, thereby eliminating the need for subsequent finishing operations. To this end, a three-stage experimental procedure was performed: (1) comparison between TiAlN- and TiSiN-coated carbide hobs, evaluating the progressive tool wear and its influence on the surface roughness, geometric deviations, and microhardness of the gears; (2) analysis of the influence of cutting speed (180, 240, and 300 m/min) and neat oil cooling on surface roughness, microhardness, involute profile geometry, and residual stresses of the gears generated by hobbing; (3) assessment of a two-step machining strategy (roughing and finishing) under high cutting speed (300 m/min) and cooled oil conditions. The results indicated that the TiAlN coating exhibited more uniform hob wear. Moreover, low and intermediate wear levels favor the geometric stabilization of the gear profile. Increasing cutting speed, combined with neat oil cooling, reduced surface roughness and geometric deviations. The two-step machining strategy provided the best roughness results, with Ra values ranging from 0.36 to 0.74 μm (class N6-N7) and consistent improvement in longitudinal profile accuracy. Thus, through appropriate coating selection, tool wear supervision, proper adjustment of cutting parameters, and effective fluid thermal control, it is concluded that hobbing can be technically viable for the manufacture of high-quality austenitic stainless-steel gears, thereby increasing productivity and reducing industrial costs.