ESTUDO DA TEMPERATURA NO TORNEAMENTO DO INCONEL 718 COM APLICAÇÃO DE LUBRIFICANTES SÓLIDOS

ESTUDO DA TEMPERATURA NO TORNEAMENTO DO INCONEL 718

COM APLICAÇÃO DE LUBRIFICANTES SÓLIDOS

Osmar Custódio de Moura Filho, osmar_cmf@hotmail.com1

Armando Marques, amarques@ifes.edu.br1

Álisson Rocha Machado, alissonm@mecanica.ufu.br1

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Universidade Federal de Uberlândia-UFU,

Av. João Naves de Ávila,2121,CEP 38400-902,Uberlândia- MG

Resumo: As ligas de níquel apresentam alta resistência mecânica que se mantém em elevadas temperaturas.

Entretanto, esta característica representa um grande problema quando elas são usinadas, pois promove elevada geração de calor durante a formação do cavaco, implicando no desenvolvimento de altas taxas de desgaste da ferramenta de corte. A fim de reduzir os problemas causados pelas altas temperaturas geradas na zona de corte, a aplicação de fluido de corte, quando possível, é essencial, proporcionando menores temperaturas e ao mesmo tempo reduzindo o atrito na interface cavaco-ferramenta-peça. Este trabalho estuda o efeito da adição de lubrificantes sólidos (grafite e bissulfeto de molibdênio) ao fluido de corte na temperatura da interface cavaco-ferramenta (medida pelo método do termopar ferramenta-peça devidamente calibrado). A mistura foi aplicada pela técnica da Mínima Quantidade de Lubrificante (MQL) e por jorro (em abundância), no torneamento da superliga a base de níquel (Inconel 718) com ferramentas de metal duro da classe K10. O fluido de corte convencional, sem adição de lubrificantes sólidos, nos dois métodos de aplicação foram também testados para permitir comparações. Foram variadas as velocidades de corte em 20 a 70 m/min, mantendo-se constante a profundidade de corte e o avanço. Os resultados demonstraram que a adição de lubrificantes sólidos não influiu de maneira significativa na temperatura da interface cavaco-ferramenta. Quanto às técnicas de aplicação do fluido de corte, o método de aplicação convencional (jorro) proporcionou melhores resultados que a técnica MQL.

Palavras-chave: Inconel 718, MQL, Torneamento, Lubrificantes sólidos, Temperatura de Usinagem

1. INTRODUÇÃO

As superligas à base de níquel possuem aplicações diretas na indústria aeroespacial, na produção de turbinas a gás e turbinas a vapor, reatores nucleares, indústrias petroquímicas, entre outras. Essas aplicações requerem que o material possua uma elevada resistência mecânica, boa resistência à fadiga e à fluência, boa resistência à corrosão e que consiga manter suas propriedades em elevadas temperaturas de trabalho.

Uma das mais importantes superligas à base de níquel é o Inconel 718, sendo caracterizado pelo seu alto teor de nióbio responsável pela sua principal fase endurecedora γ” (Ni3Nb). É importante ressaltar também o alto teor de ferro e a ausência de cobalto, o que resulta na redução do custo da liga (Reddy, 2006; Paulonis e Schirra, 2001).

Embora o níquel possua o ponto de fusão menor do que o ferro (cerca de 1452ºC contra 1540ºC), a dificuldade para usinar é maior. É um metal relativamente dúctil, com uma estrutura cúbica de face centrada e, ao contrário do ferro, não sofre transformações em sua estrutura cristalina básica até o seu ponto de fusão. É, entretanto, um material que apresenta alto grau de encruamento. A vida da ferramenta tende a ser curta e os desgastes de flanco e entalhe costumam predominar, com possibilidade de ocorrer também a deformação da aresta de corte em velocidades de corte relativamente baixas. A área de contato na superfície de saída da ferramenta é grande, com ângulo de cisalhamento pequeno, geralmente produzindo cavacos muito grossos (Trent e Wright, 2000). Desgastes por abrasão e difusão também são observados devido a altas temperaturas na usinagem.

De acordo com Ezugwu et al. (2003) a baixa condutividade térmica destas ligas leva a concentração da temperatura de corte aproximadamente 1000ºC na ferramenta.

A utilização de fluidos de corte nos processos de usinagem tem como objetivo principal a redução do atrito na região de corte por meio de lubrificação e a redução da temperatura por meio do resfriamento com aumento da convecção, consequentemente aumentando a vida da ferramenta de corte e reduzindo os custos. No entanto, o uso de fluidos de corte em operações de usinagem tem sido questionado nos últimos anos devido a problemas ambientais e de saúde causados (Reddy, 2010). Visando minimizar os problemas causados pelos fluídos de corte, algumas soluções vem sendo apresentadas, como a utilização de MQL (Mínima quantidade de lubrificante) e lubrificantes sólidos (Rao Krishna, 2008).

A usinagem assistida com lubrificantes sólidos é uma tentativa de evitar a utilização de fluidos de corte convencionais e vem sendo estudada por vários pesquisadores demonstrando ser uma solução plausível em substituição aos fluidos convencionais (Nageswara, 2008).

O objetivo deste trabalho é avaliar as variações da temperatura na interface cavaco-ferramenta-peça, em diferentes velocidades de corte, com a adição de lubrificantes sólidos (grafite e bissulfeto de molibdênio) nos fluidos convencionais, utilizando as técnicas MQL (Mínima quantidade de lubrificante) e Jorro (Convencional) através do método termopar ferramenta-peça baseado no efeito Seeback, onde dois materiais diferentes unidos e conectados a um circuito cujas extremidades estão em temperaturas diferentes das demais juntas gera uma diferença de potencial. É necessária uma calibração do sistema para converter força eletromotriz em temperatura (Naves, 2006).

2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Este trabalho foi inteiramente desenvolvido no LEPU (Laboratório de Ensino e Pesquisa em usinagem) da Universidade Federal de Uberlândia – UFU. Os testes foram realizados em um torno semiautomático REVOLUTION RV220. Por exigência do método do termopar ferramenta-peça utilizado para medição da temperatura, tanto a barra de Inconel 718 como a barra de metal duro usada como ferramenta de corte foram montadas no torno devidamente isoladas para os testes. O método do termopar ferramenta-peça é bastante utilizado nas pesquisas de avaliação de temperatura em usinagem, onde a interface cavaco-ferramenta forma o par que deve ser incluído num circuito fechado com a presença de um milivoltímetro para detecção do sinal de tensão gerado. Este método necessita de artifícios especiais, com uso de mercúrio metálico para fechar o circuito, devido ao fato da peça estar em rotação durante o corte (Santos Jr et al., 2013). A Figura (1) apresenta um esquema do sistema de medição da temperatura.

Figura 1 – Esquema do sistema do termopar ferramenta-peça (Davies et al., 2007)

A ferramenta para a usinagem foi de metal duro da classe K10 em forma de barra, com seção transversal de 10 x 10 mm e 100 mm de comprimento, ângulo de posição primário (χr) de 75º, ângulo de folga (αo) de 5º e ângulo de saída (γo) de 0º. Esta geometria foi retificada em uma afiadora universal, com rebolos de óxido de alumínio.

Para o torneamento do Inconel 718 foram realizadas variações na velocidade de corte, parâmetro de maior influência na temperatura, enquanto os outros parâmetros se mantiveram constantes no decorrer da usinagem.

Para aplicação dos fluidos foram utilizados o método convencional (Jorro) e MQL (Mínima quantidade de lubrificante). No processo jorro foi utilizado o fluido Vasco1000 fabricado pela Blaser Swisslube do Brasil e para o processo MQL foi utilizado o fluido LB2000, fabricado pela ITW sendo acrescentado os lubrificantes sólidos grafite e bissulfeto de molibdênio (MoS2) para as devidas comparações.

A velocidade de corte foi variada de 10 em 10 m/min, de 20 a 70 m/min, mantendo-se o avanço e a profundidade de corte constantes em 0,1 mm/volta e 0,5 mm, respectivamente. A severidade da operação e a fragilidade da barra de metal duro influenciaram na definição das condições de corte utilizadas. A vazão do fluido no sistema MQL foi de 40 ml/h e para o sistema jorro de 4,0 l/min.

2.1. Calibração do sistema de medição de temperatura

Para a calibração do sistema de medição da temperatura utilizou-se um forno mufla como fonte de calor baseando-se no método termopar ferramenta- peça.

Foi necessária uma barra de metal duro com as mesmas composições da ferramenta, termopares do tipo K, fios de cobre, Agilent (multímetro) responsável pela aquisição de dados no decorrer da calibração, cavaco longo de Inconel 718 e uma contra ponta modificada possuindo mercúrio em seu interior. O forno mufla continha um visor digital informando a temperatura, porém termopares calibrados foram soldados na ferramenta através de descarga capacitiva.

Após toda a montagem experimental foi variada a temperatura até o valor de 1000ºC levando em conta a histerese. O Agilent transmitia os dados para o software no computador possibilitando a obtenção dos valores necessários para construir a curva de calibração do Inconel 718. A Figura (2) demonstra o esquema de calibração.

Figura 2. Desenho esquemático do processo de calibração.

A contra ponta utilizada no experimento consiste em uma montagem onde o mercúrio é adicionado dentro de um tubo de plástico e em seguida monta-se a contra ponta juntamente ao mercúrio com a finalidade de permitir uma continuidade do sinal elétrico no decorrer dos testes tanto para a calibração quanto para o torneamento. A Figura (3) exibe os componentes e a montagem.

Figura 3. Contra ponta modificada (a) componentes; (b) montagem

2.2. Medições do potencial elétrico no torneamento

(a )

(b )

Para as medições do potencial elétrico o sistema completo de medição pelo método do termopar ferramenta-peça foi montado na máquina ferramenta. No momento em que a usinagem é iniciada a ferramenta e a peça se encostam e consequentemente o circuito é fechado. O aumento na temperatura gera uma diferença de potencial (d.d.p), sinal este captado pelo Agilent a cada segundo de usinagem. A Figura (4) mostra o procedimento para os testes.

Figura 4. Desenho esquemático da aquisição das diferenças de potencial no momento da usinagem (Correa, 2014)

Para o MQL (Mínima quantidade de lubrificante) empregou-se as seguintes concentrações: LB2000 puro; LB2000+ 20% de grafite e LB2000+ 20% de MoS2. No caso do método convencional de aplicação do fluído (Jorro): Vasco1000 emulsionado à 8% puro; Vasco 1000 emulsionado à 8% + 5% de grafite e Vasco1000 emulsionado à 8% + 5% de MoS2.

Devido à baixa usinabilidade do Inconel 718, o desgaste da ferramenta se desenvolvia rapidamente, por isso foi necessário reafiar a ferramenta frequentemente, para eliminar sua influencia nos resultados.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1. Curva de calibração

Após a realização dos procedimentos a curva de calibração do sistema foi traçada, Figura (5). O comportamento da d.d.p. no sistema é bastante linear com a Temperatura, com sua equação apresentada no topo da figura. Observa-se que a histerese também é pequena e o coeficiente de correlação bastante grande. Esta curva de calibração foi utilizada para quantificar a temperatura atingida na interface cavaco-ferramenta durante os experimentos.

Figura 5. Curva de calibração do sistema de medição de temperatura com o par Inconel 718 / Metal duro classe K

3.2. Medição das temperaturas

Os resultados da aquisição de potenciais elétricos feita pelo agilent para Jorro e MQL se encontram respectivamente nas Tabelas (1) e (2).

Tabela 1. Diferença de potência para Jorro

Velocidade [m/min]

Vasco1000+ 5% Grafite

[mV]

Vasco1000+

5% MoS2

[mV]

Vasco1000 [mV]

20

8,26±0,06

8,31±0,14

8,28±0,17

30

10,37±0,28

10,48±0,09

9,98±0,15

40

12,34±0,24

11,83±0,12

11,84±0,16

50

13,68±0,18

13,4±0,27

13,16±0,13

60

14,26±0,40

14,35±0,23

14,28±0,19

70

15,35±0,09

15,4±0,24

15,31±0,16

Tabela 2. Diferença de potência para MQL

Velocidade [m/min]

LB2000+ 20% Grafite [mV]

LB2000+ 20% MoS2 [mV]

LB2000 [mV]

20

8,73±0,44

8,71±0,21

9,06±0,18

30

11,23±0,11

11,19±0,24

11,27±0,16

40

13,05±0,18

13,08±0,22

13,17±0,19

50

14,11±0,12

14,08±0,18

14,14±0,26

60

14,80±0,19

14,98±0,20

14,86±0,10

70

15,46±0,16

15,51±0,11

15,28±0,13

Utilizando-se a curva de calibração traçada anteriormente converteu-se diferença de potencial em temperatura com a Equação (1).

T

V



127

,

72



938

,

49

T

V

Inicialmente trabalhou-se com MQL combinando o fluido convencional LB2000 + 20% de grafite e LB 2000 + 20 % de MoS2. Comparados ao fluido puro a influência da adição de lubrificantes sólidos na temperatura foi mínima, Figuras (6) e (7).

Figura 6. Temperatura de usinagem para a adição de grafite no LB2000.

Figura 7. Temperatura de usinagem para a adição de bissulfeto de molibdênio no LB2000.

Para o método convencional de aplicação de fluido (Jorro) adicionou-se Vasco1000 + 5% de grafite e Vasco1000 + 5% de MoS2. Quando comparado ao fluido puro não se nota também mudanças significativas na temperatura de usinagem pela adição do lubrificante sólido, Figuras (8) e (9). Estas figuras mostram que em algumas velocidades de corte a adição do lubrificante apresentou temperaturas marginalmente maiores na interface cavaco-ferramenta.

Figura 9. Temperatura de usinagem para a adição de bissulfeto de molibdênio no Vasco1000.

Quando comparado os dois métodos de aplicação de fluido utilizando o LB2000 e o Vasco1000 puros, Figura (10), percebeu-se uma diferença considerável na temperatura, com a condição jorro sendo mais eficiente para reduzir a temperatura. Essa diferença, entretanto, se anula na velocidade de 70 m/min.

Figura 10. Temperatura de usinagem para os dois métodos de aplicação do fluido.

Temperatura da interface cavaco-ferramenta é resultado da energia consumida para cisalhar o material na zona de cisalhamento secundário, principalmente na zona de fluxo (Machado et al., 2011). Assim, o fluido de corte tem papel fundamental para controlar esta energia. A função lubrificante do fluido de corte vai reduzir a energia necessária para formar o cavaco e a ação refrigerante do fluido vai ajudar a dissipar o calor gerado. Entretanto, esta ação refrigerante vai também atuar na peça e no cavaco, podendo aumentar a resistência ao cisalhamento destes, implicando em maior quantidade de energia sendo necessária para formar o cavaco.

Os resultados apresentados neste trabalho indicam que a ação conjunta da possível maior capacidade lubrificante dos fluidos com a adição do grafite e bissulfeto de molibdênio, com a possível redução da capacidade refrigerante desses fluidos resultaram em praticamente nenhuma influencia na temperatura média da interface cavaco-ferramenta. A comparação dos dois métodos indicaram uma nítida vantagem para o sistema jorro, onde a maior capacidade refrigerante garantiu menores temperaturas. Entretanto, na velocidade de 70 m/min, a maior capacidade de penetração do sistema MQL, pode ter garantido uma maior lubrificação na interface, compensando sua menor capacidade refrigerante.

É importante destacar que a pouca influência da adição dos lubrificantes sólidos nos fluidos de corte na temperatura da interface cavaco-ferramenta observada neste trabalho não descarta sua utilização. Resultados na vida das ferramentas estão sendo conduzidos no LEPU e em várias condições o benefício na redução da taxa de desgaste está sendo verificado, isto porque a lubrificação atua diretamente em praticamente todos os mecanismos de desgaste atuantes na usinagem.

4. CONCLUSÕES

Com o aumento da velocidade de corte houve também um aumento na temperatura, já esperado de acordo com a literatura.

A aplicação de lubrificantes sólidos com as concentrações e com os devidos parâmetros de corte analisados não demonstrou grandes alterações na temperatura. Uma possível explicação seria a utilização de pequena profundidade de corte, gerando um contato mínimo entre a ferramenta e a peça ocasionando uma predominância na influência do resfriamento em relação à lubrificação.

Comparando os dois métodos de aplicação utilizando os fluidos puros houve diferenças relevantes na temperatura de usinagem, demonstrando a explicação da predominância do resfriamento no processo. O jorro, sendo uma aplicação abundante do Vasco1000 emulsionado 8%, possui a característica de refrigerante gerando assim temperaturas menores. Portanto, com os resultados é permitido concluir que o uso do Jorro com o fluido puro e emulsionado seria mais adequado para a profundidade de corte de 0,5 mm e velocidades de até 60 m/min, com as menores temperaturas para esses parâmetros uma vida mais longa da ferramenta de corte é esperada.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem às seguintes instituições: UFU (Universidade Federal de Uberlândia), LEPU (Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem), FAPEMIG (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais), pelos auxílios técnicos e financeiros.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Machado, A.R.; Abrão, A.M.; Coelho, R.T.; Da Silva, M.B., “Teoria da Usinagem dos Materiais”, Editora Edgard Blucher, São Paulo – SP, 2a Edição (2011), 397 pgs., ISBN: 978-85-212-0606-4

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Reddy, N. S. K., Nouari, M., Yang, M. Development of electrostatic solid lubrication system for improvement in machining process performance / International Journal of Machine Tools & Manufacture 50 (2010), pp 789–797. Reddy, N. S. K., Rao, P. V., Experimental investigation to study the effect of solid lubricants on cutting forces and

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Trent, M. C., Wright, P. K., Metal Cutting Principles – 4th edition, Butterworth – Heinemann, USA, 2000

7. DIREITOS AUTORAIS

Os autores deste trabalho declaram que são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material aqui incluído.

STUDY OF THE TEMPERATURE DURING TURNING OF INCONEL 718

WITH APPLICATION OF SOLID LUBRICANTS

Osmar Custódio de Moura Filho, osmar_cmf@hotmail.com1

Armando Marques, amarques@ifes.edu.br1

Álisson Rocha Machado, alissonm@mecanica.ufu.br1

1

Universidade Federal de Uberlândia-UFU,

Av. João Naves de Ávila,2121,CEP 38400-902,Uberlândia- MG

Abstract: Nickel alloys exhibit high mechanical strength, which is maintained at elevated temperatures. However, this

is a biggest problem when they are machined, because it causes high heat generation during chip formation, resulting in the development of high wear rates of the cutting tools. In order to reduce these problems caused by the high temperatures generated in the cutting zone, application of cutting fluids, when possible is essential, providing lower temperatures while reducing friction in the workpiece-tool-chip interfaces. This paper studies the effect of the addition of solid lubricants (graphite and molybdenum disulphide) in the cutting fluid on the temperature of chip-tool interface (measured by a calibrated tool-workpiece thermocouple method). The mixture (fluid + solid lubricant) also used with the Minimum Quantity Lubricant (MQL) and flood cooling (in abundance) in turning of the nickel-based superalloy (Inconel 718) with carbide tools K10 grade. The conventional cutting fluid, without the addition of solid lubricants, in the two application methods were also tested to allow comparisons. The cutting speed were varied from 20 to 70 m / min, keeping constant the depth of cut and feed rate. The results showed that the addition of solid lubricants did not influence significantly the temperature of the chip-tool interface. As the cutting fluid application techniques, application of the conventional method (flood cooling) gave better results than the MQL technology.