As ferramentas de corte texturizadas e com microrranhuras ou microfuros de padrão regular ou irregular são assim configuradas para aumentar a sua vida útil, visando obter o mesmo desempenho que pode ser conseguido quando se usam fluidos de corte. Isso é possível pela melhora das condições tribológicas na interface cavaco/ferramenta e pela minimização do atrito, redução da área de contato e pelo aumento da troca térmica por convecção⁽⁴⁾. As texturas reduzem a zona de aderência, o que leva à redução da força de contato gerada na interface cavaco/ferramenta, bem como à diminuição dos mecanismos de adesão que causam o desgaste de cratera.

Os “debris” resultantes da interação cavaco/ferramenta são alojados no interior das texturas, minimizando o desgaste abrasivo. Por isso é atribuída importância à profundidade das texturas, destacando o efeito benéfico proporcionado pelas microrranhuras frente às texturas rasas⁽³⁾. Além disso, com as ranhuras, a troca térmica por convecção é aumentada, uma vez que a textura pode ser assumida como uma aleta estendida de seção transversal uniforme⁽⁵⁾. A diminuição da área de contato entre cavaco e ferramenta reduz o calor conduzido à ferramenta, reduzindo sua temperatura de 17 a 23%⁽²⁾.

As texturas proporcionam a melhora das condições tribológicas e a troca térmica da região de contato cavaco/ferramenta, mesmo sem o uso de fluido de corte. Um material de alta condutividade térmica que preencha os sulcos das texturas pode auxiliar no transporte de calor das regiões de maior temperatura para além delas, modificando o gradiente de temperatura da ferramenta de corte. No que tange a materiais com essas características, o nanotubo de carbono (NTC) tem destaque, uma vez que sua condutividade térmica encontra-se entre 2.000 a 6.000 W/m.K⁽¹⁾.

Este trabalho propõe a compactação de nanotubos de carbono no interior das texturas com o objetivo principal de maximizar a dissipação de calor da zona de contato cavaco/ferramenta, além da introdução de um terceiro corpo capaz de minimizar o atrito. Para avaliar essa proposta, ferramentas de corte com diferentes profundidades de texturas foram preenchidas com NTC, e o seu desempenho em termos de desgaste, força de usinagem e temperatura foi comparado com o de ferramentas de corte convencional e texturizadas. Estudos envolvendo simulações de esforços e temperatura também foram feitos para obter as geometrias adequadas para as texturas preenchidas com NTC.

 

Materiais e métodos

Entre os trabalhos mais relevantes sobre ferramentas de corte texturizadas estão o de Sugihara et al. (2021). Por isso, essas texturas são tomadas como ponto de partida para serem preenchidas com nanotubos de carbono (NTC). A partir de simulações e depois experimentalmente, são desenvolvidas e escolhidas as texturas que podem proporcionar os melhores resultados.

 

Desenvolvimento

O primeiro passo da pesquisa se deu na estimativa do fluxo térmico, considerando uma temperatura de usinagem de 1.000 °C na zona de aderência e de 80 °C na interface ferramenta de corte/porta- -ferramentas. As demais condições de contorno foram: condutividade térmica da ferramenta de corte – 50 W/m.K; coeficiente de convecção natural com o ar – 20 W/m².K; densidade – 14.600 Kg/m³; módulo de elasticidade – 580 GPa; e coeficiente de Poisson – 0,22. A ferramenta escolhida foi a TPUN 160308 da Iscar. Pela técnica de resolução de problemas inversos e sob as condições de contorno mencionadas, introduzidas no ambiente de simulação do Comsol Multiphysics, chegou-se aos fluxos térmicos na zona de aderência de 1,02 x 108 W/m² e de 1,02 x 107 W/m² na região de deslizamento, necessários para que a temperatura máxima de 1.003,19 °C na interface cavaco/ferramenta fosse obtida.

Adotando-se 3.000 W/mK para a condutividade térmica do NTC, considerando que a mesma pode variar de 2.000 a 6.000 W/m.K⁽¹⁾, e preenchendo os microfuros e microrranhuras da textura⁽³⁾, obteve- -se pela simulação as temperaturas máximas de 920 °C e 930 °C, respectivamente. Entretanto, a textura minimiza o efeito térmico, uma vez que os microfuros apresentam profundidade de 0,005 mm e diâmetro de 0,05 mm, enquanto as microrranhuras têm profundidade de 0,005 mm e largura de 0,02 mm. Em seguida, partiu-se para propostas de adaptação dessas geometrias para aumentar suas dimensões e minimizar a temperatura. Assim, simulações de temperatura foram feitas considerando microfuros com diâmetros de 0,1 e 0,2 mm e profundidade de 0,25, 0,50, 0,75 e 1,0 mm, bem como microrranhuras de 0,08 e 0,16 mm de largura com as mesmas profundidades. Como resultado, encontraram-se temperaturas significativamente menores nas microrranhuras frente aos microfuros. Porém, as estreitas larguras das microrranhuras, devido às suas profundidades, se mostraram difíceis de produzir, sendo adotada a largura de 0,3 mm, com temperaturas simuladas ainda menores. No entanto, a análise por elementos finitos detectou valores próximos ao limite de escoamento do metal duro (3.000 MPa). Com uma carga estática de 600 N, estimada em ensaio de usinagem, aplicada sobre a região de contato cavaco/ferramenta, foi observado que apenas as texturas com profundidade de 0,25 e 0,50 mm apresentaram tensões de escoamento abaixo da tensão-limite do material da ferramenta de corte. A figura 1 mostra a simulação da temperatura na superfície das ferramentas de corte convencional e com microrranhuras preenchidas com nanotubos de carbono, com três profundidades diferentes, desde a posição da aresta de corte até 14 mm afastado dela. Enquanto a temperatura na ferramenta convencional diminuiu paulatinamente com o afastamento da aresta de corte, nas ferramentas com nanotubos houve queda brusca da temperatura, e seus valores permaneceram estáveis nas regiões distantes de 0,5 a 5 mm da aresta de corte, onde estavam os NTCs. Devido ao resultado promissor deste teste, uma nova versão foi proposta, porém com uma porção de material acrescentada na ponta da ferramenta de corte, funcionando como um reforço estrutural. Na figura 2, em (a) e (b), são mostrados os microfuros e as microrranhuras obtidas, como é tratado na literatura⁽³⁾, enquanto em (c), (d), (e), (f ) e (g) é mostrada a nova versão com detalhe modificado (círculo em vermelho).

Por meio de outras simulações por elementos finitos constatou-se que, mesmo com a nova solução, a profundidade de 1,0 mm levou a tensões próximas ao limite de escoamento do material, sendo assim abolida. A modificação estrutural na ponta da ferramenta de corte fez aumentar de 3% a 4 % as temperaturas máximas.

 

Figura 1 – Simulação da temperatura nas diferentes ferramentas propostas

 

Figura 2 – Textura (a), (b), (c) e (d) para uso sem NTC, e (e), (f) e (g) para uso com NTC

 

Definição das texturas e condições dos testes

As ferramentas com ranhuras que não foram preenchidas com NTC não contavam com textura ao lado da aresta de corte secundária (figura 2 (c) e (d)), uma vez que nesse tipo de geometria não é primordialmente buscada a dissipação de calor.

Assim, ranhuras com 0,1 mm de profundidade são sufi cientes. Além disso, este tipo de geometria também contou com ranhuras de 0,25 mm, já que a mesma profundidade foi usada no preenchimento com NTC. As ferramentas com ranhuras preenchidas com NTC possuem texturas nas regiões das duas arestas de corte, principal e secundária, para aumentar a dissipação de calor (figura 2 (e), (f) e (g)).

Os testes também envolveram ferramentas texturizadas com microfuros e microrranhuras⁽³⁾, além da ferramenta convencional, a qual serviu de referência. Em resumo, estabeleceram-se os tipos de ferramentas adotando-se uma figura sugestiva para identificar cada uma, conforme é mostrado na tabela (página anterior).

 

 

Características das texturas e preenchimento com NTC

As texturas foram feitas com laser Nd-YAG. O aspecto visual de cada uma delas é mostrado na figura 2, com ampliação de 200 vezes usando um estereoscópio Nikon SMZ800. Em (a) e (b) são mostradas as ferramentas de corte com microfuros e microrranhuras, respectivamente. Já em (c) e (d), são mostradas as microrranhuras com profundidade de 0,1 e 0,25 mm e sem preenchimento de NTC. Em (e), (f) e (g) podem ser vistas as microrranhuras de 0,25, 0,50 e 0,70 mm, respectivamente, com preenchimento com NTC. No preenchimento das microrranhuras, uma porção de NTC foi posicionada sobre elas, e a ferramenta de corte foi envolvida por uma membrana elástica. Em seguida, as ferramentas de corte foram colocadas em uma prensa isostática, a qual aplicou força de 200 MPa (figura 3).

 

Figura 3 – Esquema da (a) prensagem isostática dos NTC nas microrranhuras e das (b) microrranhuras preenchidas

 

Procedimento experimental

Foram executados testes de desgaste até o fi m de vida, bem como avaliadas a força de corte e a temperatura da ferramenta. Após testes preliminares, foram selecionadas as seguintes condições: velocidade de corte de 150 m/min; profundidade de corte de 1,0 mm; e avanço de 0,1 mm/volta. Portanto, trinta e nove testes com diferentes condições foram feitos. A peça torneada tinha diâmetro de 75 mm e comprimento de corte de 200 mm. Os testes foram conduzidos em um torno CNC da ROMI, modelo Centur 30D. O corpo de prova testado apresentava dimensões de 75 mm de diâmetro e comprimento útil de 200 mm, feito de aço ABNT 1045. As componentes da força de usinagem (Fc, Ff e Fp) foram mensuradas por um dinamômetro Kistler, modelo 9257BA, junto com uma unidade de controle 5233 A1, a qual forneceu sinais para um módulo de aquisição de dados analógicos da National Instruments. A fim de avaliar a temperatura na ferramenta, um microtermopar foi fixado na região do porta-ferramentas (designação CTGPL 2020 K16), onde o inserto é assentado.

 

Resultados e discussões

A figura 4 traz um gráfico sobre a vida da ferramenta de corte conforme os oito testes realizados. De maneira geral, é observado que as texturas contribuíram para a obtenção de uma maior durabilidade das ferramentas assim configuradas em relação às convencionais, sendo maior em 35% para os microfuros; em 3% para as microrranhuras; 19% para microrranhuras com 0,1 mm de profundidade; 42% para microrranhuras com 0,25 mm; 77% para microrranhuras com 0,25 mm preenchidas com NTC; 55% para microrranhuras com 0,50 mm preenchidas com NTC; e 60% para microrranhuras com 0,75 mm preenchidas com NTC.

Os resultados obtidos com as microrranhuras preenchidas com NTC são atribuídos à alta condutividade térmica desse material e à sua distribuição na ferramenta de corte para além da zona de corte. Assim, o calor é conduzido para as regiões das microrranhuras e a temperatura no contato entre cavaco e ferramenta é reduzida. A figura 5 mostra os valores das temperaturas em todas as condições testadas. Em relação à figura 4, pode-se observar a correspondência entre a vida da ferramenta e a temperatura. A menor vida corresponde à maior temperatura obtida na ferramenta convencional. A segunda menor vida corresponde à segunda maior temperatura na ferramenta com microrranhuras, e assim sucessivamente. Os resultados destacadamente promissores obtidos com as microrranhuras preenchidas com NTC se devem a vários fatores. O primeiro deles refere-se à alta condutividade térmica dos NTCs e sua distribuição na ferramenta de corte para além da zona de corte. Ao mesmo tempo, os NTCs das ranhuras em contato com o cavaco são progressivamente retirados formando um filme que atua como lubrificante sólido. Mesmo que as ranhuras com NTCs tenham menor capacidade de armazenamento de resíduos, elas ainda podem ter esta função. A figura 6 mostra, em geral, que o efeito tribológico das texturas com NTC prevalece sobre as demais.

 

Figura 4 – Vida da ferramenta para diferentes texturas // Figura 5 – Temperatura da ferramenta de corte para as diferentes texturas

 

Figura 6 – Forças de usinagem para as diferentes texturas​​​​​​​

 

Conclusão

Pelos resultados obtidos, pode-se concluir que o preenchimento das microrranhuras com nanotubos de carbono na superfície de saída das ferramentas de corte propiciou a diminuição da temperatura e a melhora das condições tribológicas na interface cavaco/ferramenta, com consequente aumento da vida da ferramenta. Entre as texturas sem NTC, as microrranhuras com 0,25 mm de profundidade foram levemente superiores em relação aos microfuros tratados na literatura.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem à Universidade Estadual Júlio Mesquita Filho (UNESP) – Campus Bauru (SP) – e ao Instituto Federal do Paraná (IFPR) – Campus Jacarezinho (PR) – pelo suporte para a realização da pesquisa.

 

Responsabilidade pelas informações

Os autores são os únicos responsáveis pelas informações incluídas neste trabalho.

 

Referências

1] Han, Z.; Fina, A.: Thermal conductivity of carbon nanotubes and their polymer nanocomposites: A review. Progress in Polymer Science. V. 36.7, 914-944. 2011. 

2] Ribeiro, F. S. F.; Lopes, J. C.; Bianchi, E. C.; Sanchez, L. E. A.: Applications of texturization techniques on cutting tools-a survey. Int. J. Manuf. Technol, V. 109, 1117-1135. 2020. 

3] Sugihara, T.; Kobayashi, R.; Enomoto, T.: Direct observations of tribological behavior in cutting with textured cutting tools. Int. J. of Mach. & Tools Manuf, V. 168, 103726. 2021. 

4] Özel, T.; Bierman, D.; Enomoto, T; Mativenga, P.: Structured and textured cutting tool surfaces for machining applications. CIRP Annals, V. 70, 495-518. 2021. 

5] Orra, K.; Choudhury, S. K.: Tribological aspects of various geometrically shaped microtextures on cutting insert to improve tool life in hard turning process. Journal of Manufacturing Processes, V. 31, 502–513. 2018.