Existe um consenso na literatura de que o aumento da usinabilidade (como por exemplo, aumento de vida da ferramenta, redução da temperatura e força de usinagem, qualidade superficial, entre outras) converge para a redução das regiões de contato cavaco-ferramenta e cavaco-ferramenta-peça. Com o avanço da engenharia de precisão nas últimas décadas, processos de fabricação em escala micro e nanométrica, tais como usinagem a laser e feixe de íons localizado (FIB), permitiram aos pesquisadores buscar alternativas não convencionais para melhorar o desempenho das ferramentas de corte por meio de modificação da textura ou do suporte da ferramenta. Consequentemente, condições tribológicas mais favoráveis são geradas nas interfaces cavaco-ferramenta e ferramenta-peça.
Um dos modos de alcançar este objetivo é produzir texturas em escala micro ou nanométrica nas superfícies da ferramenta. Enomoto e Sugihara (2010) produziram micro e nanotexturas nas superfícies de saída da ferramenta de corte com objetivo de melhorar as propriedades antiaderentes durante a operação de fresamento da liga de alumínio A5052. O primeiro inserto foi revestido com um filme de diamante sintético (DLC) na superfície de saída. Em seguida, uma máscara retangular de tungstênio foi aderida à superfície da ferramenta e uma segunda camada de filme de DLC foi aplicada, produzindo microssulcos
com dimensões de 150 µm x 150 µm x 80 µm, como ilustrado na Figura 3.20(a). Após o primeiro teste, a ferramenta foi submetida à análise por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV), onde foi possível observar a adesão do alumínio nas superfícies da ferramenta, principalmente no interior dos sulcos, vide Figura 3.20(b). Os autores concluíram que, devido às grandes dimensões dos sulcos, o cavaco conseguia facilmente acessar e entupir os canais produzidos.
FIGURA 3.20 - Ferramenta texturizada: (a) ilustração dos sulcos e (b) MEV da superfície de saída FONTE - ENOMOTO E SUGIHARA, 2010, p. 598 – figura adaptada
Como a primeira ferramenta não obteve um bom desempenho, uma nova textura foi produzida com o propósito de obter maior retenção do fluido, manter uma camada de filme de fluido estável entre a superfície de saída da ferramenta e do cavaco e reduzir o atrito na interface cavaco-ferramenta. Foram gerados sulcos com profundidades que variaram entre 100 nm a 150 nm e uma distância de 700 nm entre os sulcos, como observado nas imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM), Figura 3.21(a). Estas novas ferramentas foram revestidas com DLC, o que diminuiu a profundidade dos sulcos para aproximadamente 10 nm. Foram produzidos dois tipos de sulcos: paralelos e perpendiculares à aresta de corte. Os resultados foram comparados a uma ferramenta convencional revestida com DLC e indicaram que os sulcos produzidos paralelamente à aresta de corte promoveram melhor desempenho da ferramenta, que apresentou menor adesão do material da peça sobre a superfície, conforme análises de MEV e difração de raio-X (DRX) apresentadas na Figura 3.21(b). De acordo com os autores, os sulcos produzidos perpendicularmente à aresta de corte mantém o contato contínuo entre o cavaco e a superfície de saída da ferramenta, enquanto que nos sulcos paralelos, o contato é intermitente e permite que o fluido acesse o interior dos canais aumentando a capacidade de
lubrificação e reduzindo o atrito. Os sulcos, em ambas as direções, inibiram o surgimento da aresta postiça de corte, que foi verificada na ferramenta convencional.
FIGURA 3.21 - Ferramenta texturizada: (a) imagem de MEV e microscopia por força atômica das texturas e (b) análise da superfície de saída após o corte
FONTE - ENOMOTO E SUGIHARA, 2010, p. 599 – figura adaptada
Em um segundo trabalho, Enomoto et al. (2012) relatam que embora as ferramentas com micro e nanotexturas reduzam consideravelmente a adesão durante o fresamento do alumínio, as ferramentas não obtiveram um bom desempenho quanto ao desgaste e os resíduos gerados durante a operação foram retidos nos sulcos, acelerando o processo de desgaste abrasivo. Com objetivo de reduzir o desgaste, quatro novas ferramentas com diferentes parâmetros de texturas foram fabricadas: duas ferramentas com sulcos paralelos e duas com sulcos perpendiculares à aresta de corte com os respectivos valores de profundidade de 1 µm e 5 µm e largura e distância entre os sulcos mantidas constante em 50 µm. O desenho esquemático da ferramenta (imagem à esquerda) e os perfis dos sulcos (imagem à direita) estão apresentados na Figura 3.22. O material da peça utilizado nos testes de fresamento foi o aço carbono S53C e os resultados foram comparados a uma ferramenta convencional. Os melhores resultados foram obtidos com os sulcos em ambas as direções, com profundidade de 5 µm. A profundidade da cratera diminuiu de 8 µm (ferramenta convencional) para 3 µm, entretanto, os sulcos perpendiculares à aresta de corte apresentaram um comprimento de desgaste maior. O resultado obtido foi semelhante ao do trabalho anterior
(Enomoto e Sugihara, 2010), indicando que a acessibilidade do fluido no interior dos sulcos melhora as condições tribológicas da interface, reduzindo o atrito, a adesão e, consequentemente, o desgaste.
FIGURA 3.22 - Ferramenta com sulcos paralelos e transversais à aresta de corte (imagem à esquerda) e perfil dos sulcos (imagem à direita)
FONTE - ENOMOTO et al., 2012, p. 573 – figura adaptada
Uma quinta ferramenta, com sulcos paralelos à aresta de corte com profundidade de 5 µm e largura e distância entre os sulcos de 20 µm foi produzida. O resultado de desgaste foi similar ao da ferramenta com largura e distância entre os sulcos de 50 µm, contudo, o raio de curvatura do cavaco produzido foi menor. Isso sugere que larguras e distâncias menores conferem melhor lubricidade, pois retêm mais fluidos no interior dos sulcos. Em uma tentativa de melhorar ainda mais a resistência ao desgaste, a ferramenta foi revestida com nitreto de titânio e alumínio (TiAlN) e o resultado foi comparado à uma ferramenta convencional com o mesmo revestimento. As ferramentas foram analisadas após 300 m e 600 m de corte e os resultados de pefilometria indicaram que a ferramenta com sulcos apresentou taxas de desgaste e de adesão muito inferiores à ferramenta convencional, embora tenha apresentado trincas térmicas.
Xie et al. (2013) produziram sulcos com diferentes perfis e profundidades por meio de microabrasão, com objetivo de comparar as temperaturas e forças de corte com um inserto convencional (sem sulcos) no torneamento a seco da liga de titânio Ti6Al4V. A medição da temperatura foi realizada por meio de termopares inseridos em três pontos diferentes das ferramentas. O termopar A foi inserido a uma distância de 2 mm a partir da ponta da ferramenta, o B a 4 mm e o C a 6 mm. A ferramenta com sulco de 53 µm de profundidade reduziu a temperatura nos pontos A, B e C, respectivamente, em 35,1%, 33,5%
e 34,2% comparadas à ferramenta convencional. A temperatura na ponta da ferramenta, obtida por meio de um modelamento baseado nas temperaturas dos pontos A, B e C, reduziu aproximadamente 62% (1322⁰ C na ferramenta convencional contra 500⁰ C na ferramenta com sulco). A ferramenta com sulco reduziu a formação de cavacos dente de serra, indicando um corte mais estável, além de diminuir a espessura final do cavaco (aumento do ângulo de cisalhamento e, consequentemente, diminuição da força de corte). Foram comparadas as temperaturas e forças de corte variando-se a taxa de remoção de material. A ferramenta com profundidade do sulco de 25 μm reduziu a temperatura e a força, respectivamente, em 20% e 32,7%, para uma taxa de remoção de material 360 mm3/min e 27,2% e 56,1% para uma taxa de 11700 mm3/min. Para aumentar a taxa de remoção de material, a velocidade de corte, o avanço e a profundidade de usinagem foram elevados, respectivamente, de 36 m/min, 0,1mm/rev e 0,1 mm para 39m/min, 0,3 mm/rev e 1 mm. Consequentemente, a área de contato durante o corte aumentou, fator que contribuiu para que o contato ocorresse somente nas picos dos sulcos, reduzindo o atrito na interface e facilitando o fluxo do cavaco, o que explica a redução significativa da temperatura e da força de corte para maior taxa de remoção de material. Sob baixas taxas de remoção de material, o contato ocorre também no interior dos sulcos, gerando maior atrito na interface.
Uma alternativa para melhorar as condições tribológicas na interface é conciliar os sulcos com a lubrificação, como na pesquisa conduzida por Xing et al. (2013), que produziram três diferentes geometrias de texturas em um inserto cerâmico (Al2O3 + TiC). As texturas e o chanfro da aresta de corte foram preenchidos com o lubrificante sólido (MoS2). Foram avaliadas as componentes das forças de usinagem, temperatura de corte, coeficiente de atrito na interface cavaco-ferramenta, rugosidade da peça e desgaste no torneamento do aço AISI 1045 (dureza entre 40 e 50 HRC). Os resultados foram comparados a um inserto convencional (sem textura). A Figura 3.23 apresenta as ferramentas produzidas e preenchidas com MoS2 com os respectivos códigos: FO (para os sulcos perpendiculares à aresta de corte), FP (para os sulcos paralelos à aresta de corte e FW (para os sulcos ondulados). A rugosidade da peça foi o único parâmetro em que o inserto convencional apresentou melhor resultado. A ferramenta FW apresentou o melhor desempenho, reduzindo as forças de corte, de avanço e passiva (para a máxima velocidade de corte), respectivamente, em 20%, 25% e 35% e o coeficiente de atrito em 20%. O filme formado na interface cavaco-ferramenta possui uma tensão de cisalhamento menor que a interface cavaco-substrato, diminuindo a restrição do fluxo de cavaco sobre a superfície de saída da ferramenta, o que reduz a energia necessária para a formação do cavaco e contribui para a diminuição da taxa e dos mecanismos de
desgaste e da temperatura, que reduziu 20%. Além disso, a textura aumenta a área de irradiação, que acelera a convecção de calor da ferramenta para o ar. Para que a lubrificação seja eficiente e melhore as condições tribológicas na interface cavaco-ferramenta é necessário produzir uma textura que possibilite que o lubrificante seja liberado de forma contínua por um tempo maior de usinagem, razão pela qual as ferramentas FO e FP não obtiveram um bom desempenho.
FIGURA 3.23 - Ferramentas texturizadas e preenchidas com lubrificante sólido FONTE - XING et al., 2013, p. 48 – figura adaptada
Com o objetivo de aplicar o fluido mais próximo possível das regiões de geração de calor, Dhananchezian et al. (2013) produziram um furo na superfície de saída da ferramenta para entrada de fluido e dois furos nas superfícies de folga primária e secundária para saída do fluido, interconectados ao furo de entrada, como ilustra a Figura 3.24.
FIGURA 3.24 - Ferramenta modificada com furos
Nitrogênio líquido e uma emulsão foram usadas como fluidos de corte na operação de torneamento da liga de titânio Ti6Al4V. A utilização do fluido criogênico, aplicado por meio do inserto modificado, obteve resultados bem superiores comparados àqueles obtidos por método convencional (jorro). Para máxima velocidade de corte, foi verificada uma redução da temperatura em 67% e das forças de corte e avanço, respectivamente, 49% e 39% e a rugosidade em 33%. O principal fenômeno responsável pela melhoria das condições de usinagem foi a redução do mecanismo de adesão que, consequentemente, reduziu o contato na interface cavaco-ferramenta.
Alguns trabalhos realizados envolvendo modificação do suporte da ferramenta possuem como objetivo principal a retirada de calor da ferramenta por meio de canais internos de recirculação de fluido refrigerante. Este método possui a vantagem de não haver desperdício de fluidos, tornando as operações de usinagem mais limpas, econômicas e ecologicamente amigáveis. Embora possam ser projetadas com diferentes geometrias, as modificações seguem basicamente o modelo esquemático apresentado na Figura 3.25(a), onde há uma entrada para o fluido refrigerante (EF), uma câmara para que o fluido circule e retire calor, uma saída para fluido (SF), um condensador para retirar o calor do fluido aquecido e uma bomba para manter o ciclo de recirculação de fluido, conforme Figura 3.25(b).
FIGURA 3.25 - Suporte modificado: (a) projeto de modificação do suporte e (b) sistema de refrigeração do conjunto ferramenta-suporte
FONTE - VICENTIN et al., 2011, p. 833 – figura adaptada
Vicentin et al. (2011) projetaram um suporte de ferramenta com canais de recirculação de fluido e justificaram o projeto ressaltando cinco aspectos importantes: a necessidade de eliminar a grande quantidade de fluidos utilizados nas operações de usinagem
por questões ambientais, de saúde e econômica; a tendência em adotar os métodos de usinagem a seco ou MQF; o controle da temperatura de corte, mesmo sem aplicar fluidos de corte; a manutenção do desgaste da ferramenta dentro de limites aceitáveis; e a utilização de métodos com baixo consumo de energia e baixo custo. O fluido refrigerante R-132, um hidro-cloro-flúor-carbono, foi utilizado como fluido de recirculação no interior do suporte da ferramenta e os resultados foram comparados com o corte a seco e utilizando um fluido emulsionável aplicado por jorro no torneamento de um aço inoxidável austenítico. Em todas as análises, a usinagem a seco apresentou desempenho inferior aos outros métodos, portanto, os resultados são comparados em função do fluido R-123 e da emulsão. A temperatura na interface do calço de cobre da ferramenta foi avaliada e observou-se que o fluido emulsionável proporcionou menor temperatura. A análise do desgaste de flanco, que aparentemente apresentou melhor resultado quando utilizada a emulsão, não foi considerada conclusiva devido aos resultados de rugosidade da peça, que apresentou menor valor quando utilizado o fluido R-123. A justificativa para os valores contraditórios entre desgaste de flanco e rugosidade superficial foi o desgaste na ponta da ferramenta, que foi mais severo quando a emulsão foi aplicada e como o fluido R-123 manteve a integridade ponta da ferramenta por maior tempo, consequentemente, gerou o melhor acabamento superficial. O autor conclui o novo sistema de refrigeração possui melhor desempenho que a usinagem a seco e promove vida de ferramenta mais longa comparada às condições de refrigeração convencionais. O método ainda possui a vantagem de promover uma usinagem limpa, barata, com menor risco à saúde do operador e ecologicamente viável, desde que o sistema seja hermeticamente fechado para que o fluido não seja consumido.
Isik (2016) comparou a praticidade e efetividade do sistema de recirculação de fluido dentro do suporte da ferramenta utilizando água purificada (com agentes inibidores de corrosão) a 18⁰ C com a usinagem à seco no torneamento de Waspaloy AMS5708 (liga de níquel). Foi verificada uma diminuição da temperatura para todas as velocidades de corte testadas quanto utilizado o suporte com recirculação de fluido. A máxima temperatura na interface reduziu de 641⁰ C para 587⁰ C. Quando a medição da temperatura foi conduzida em função do tempo de usinagem, foi constatada uma tendência de estabilização da temperatura ao longo do corte utilizando o suporte com refrigeração interna e uma tendência de aumento da temperatura no corte a seco. A estabilização da temperatura promoveu um controle dos mecanismos e da taxa de desgaste, consequentemente, menor desgaste de flanco foi observado, resultando em um aumento de 12% na vida da ferramenta. A qualidade superficial da peça foi 13% melhor comparada ao corte a seco e com tendência de redução da rugosidade
quando a velocidade de corte foi aumentada (em contraste com a usinagem a seco, que aumentou a rugosidade significativamente). A principal conclusão do autor é de que o novo sistema possui a capacidade de controlar a temperatura nas operações de usinagem, mitigando os efeitos negativos ao longo da operação.
Minton et al. (2013) modificaram o suporte da ferramenta de corte, onde construíram um reservatório para recirculação do fluido, sobre o qual o inserto é apoiado e o fluido é aplicado diretamente em sua base (refrigeração indireta). Quatro insertos foram preparados para os testes: dois insertos revestidos com diamante com espessura de 8 µm (com a finalidade de melhorar a condutividade térmica) e dois insertos sem revestimento. A espessura dos insertos foi reduzida para 1 mm e os testes foram conduzidos sob quatro condições: inserto revestido e com refrigeração indireta, inserto revestido e corte a seco, inserto sem revestimento e com refrigeração indireta e inserto sem revestimento e usinagem a seco no torneamento de uma liga de titânio. Para a recirculação, foi utilizado um fluido refrigerante para radiador a uma temperatura de 26⁰ C. Imagens térmicas das ferramentas foram obtidas com objetivo de verificar a concentração, dispersão e intensidade de calor na superfície de saída imediatamente após o término do corte até que a ferramenta atinja a temperatura ambiente. A refrigeração indireta, além de dissipar o calor de forma mais rápida, também diminuiu a temperatura máxima na interface cavaco-ferramenta, principalmente na ferramenta revestida, devido à alta condutividade térmica do diamante. No início do corte utilizando a ferramenta revestida e com refrigeração indireta, o desgaste foi mais severo, contudo, foi observada uma redução do desgaste ao longo do tempo de usinagem, aumentando a vida da ferramenta em 45% após 15 minutos de usinagem, indicando que os mecanismos de desgaste termicamente ativados são amenizados quando a temperatura na interface é controlada. O autor conclui que o controle da temperatura é o fator mais influente para diminuição do desgaste, o que gera um aumento de vida da ferramenta e enfatiza a necessidade de estudos de viabilidade do sistema de refrigeração indireta sob diversas condições de usinagem e que uma das principais vantagens é que o sistema é ecologicamente viável.
4 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL
Este capítulo está subdividido em três partes, sendo a primeira referente aos materiais utilizados, a segunda relativa aos equipamentos e a terceira concentrada nos métodos utilizados para realização da pesquisa
Os testes de torneamento foram realizados no Laboratório de Usinagem e Automação do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e as análises de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram realizadas nos Laboratórios da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC - Minas).
O fluxograma ilustrado na Figura 4.1 apresenta as atividades realizadas no trabalho, como o projeto e fabricação do suporte porta-ferramenta, dos dispositivos necessários para a produção dos insertos, modificação dos insertos, testes de torneamento e coleta dos dados dos experimentos.
FIGURA 4.1 - Fluxograma do trabalho experimental FONTE – Elaborada pelo autor, 2017