Em muitas áreas de manufatura indústrial moderna não é mais possível deixar de aplicar materiais com boa resistência mecânica na produção de estruturas leves. Sobretudo na indústria aeroespacial é muito oportuno usar estruturas otimizadas em função da redução de peso, e consequentemente do combustível consumido, sem que haja o risco de se comprometer a estabilidade da peça ou do equipamento.

Um exemplo dessa tendência pode ser observado pela ampla variedade de materiais usados na fabricação de aviões – combinação de ligas de alumínio, de titânio e plásticos reforçados com fibras. Esses materiais, conforme o componente específico, são usados de forma isolada, sobrepostos ou então formando um compósito com múltiplas camadas (stacks). A configuração em múltiplas camadas requer processos de usinagem específicos, uma vez que materiais com diferentes características entre si deverão ser usinados com a mesma ferramenta.

O problema da vida útil da ferramenta

Os estudos sobre o acabamento de furos em titânio e suas ligas e em alumínio usando ferramenta abrasiva oca de diamante são fundamentais para se estabelecer um processo alternativo à usinagem de materiais compósitos estratificados (ou seja, dispostos em camadas). É inevitável que se use um único processo de furação para obter uma união livre de folgas, seja no caso de um único material ou em materiais compósitos estratificados. Além disso, os custos do processo de furação, bem como sua segurança e o nível de qualidade da usinagem, são decisivos para a viabilidade da prática industrial. O principal problema se encontra nas baixas vidas úteis das brocas produzidas em metal duro à base de carbeto de tungstênio com revestimento. Outros fatores a serem considerados são os cavacos de titânio, formados em função das cargas aplicadas pela ferramenta, e os danos ocorridos nas paredes do furo pelo fluxo de remoção dos cavacos [2] .

O processo de acabamento de furos em compósitos como plásticos reforçados com fibras de carbono (CFRP) já se encontra consolidado [3]. Ele contribui decisivamente para reduzir a delaminação que ocorre durante a usinagem de furos nesse tipo de material em relação à furação convencional usando broca helicoidal[1,4]. Neste caso são usadas ferramentas em for ma de uma haste oca, cuja região cortante é constituída de grãos de diamante unidos por ligação metálica. Em comparação com as brocas helicoidais, a força de avanço – que causa a delaminação – é consideravelmente reduzida nessa ferramenta oca sem aresta de corte transversal, levando a uma correspondente redução no volume gerado de cavacos (figura 1).

Um efeito positivo decorrente do uso do diamante como material de corte é sua dureza ser extremamente alta. Nas ferramentas convencionais de metal duro ocorre um intenso desgaste abrasivo que reduz sua vida útil. Por outro lado, a ferramenta de diamante apresenta maior resistência ao desgaste, o que permite a execução de um grande número de furos com resultados adequados e constantes.

Nesse processo de furação, o fluido refrigerante é conduzido ao longo do interior da ferramenta. Essa característica permite que o fluido seja distribuído nas proximidades da região de trabalho da ferramenta, melhorando, dessa forma, a retirada das partículas de material desprendidas. Essa remoção pode ser aperfeiçoada ainda mais executando-se ranhuras na coroa da ferramenta abrasiva. Dessa forma, um maior volume de refrigerante fluirá ao longo das paredes do furo, removendo assim uma maior quantidade de partículas.

Figura 1 – Condições cinemáticas do processo de furação usando ferramenta abrasiva oca de diamante[1]. Figuras fornecidas pelo Instituto de Manufatura de Usinagem (Institut für Spanende Fertigung, ISF)

 

O processo com avanço intermitente (ciclo pica-pau) permite um comportamento mais estável do processo

Para viabilizar a furação com acabamento de alta qualidade de materiais como titânio e ligas e alumínio, foram executados ensaios no qual esse processo foi dividido em várias etapas interrompidas, por meio do avanço intermitente. Esse procedimento consiste no avanço de alguns mícrons na direção axial, seguido por um recuo menor na direção oposta à de avanço e então um novo deslocamento de avanço-recuo, em um ciclo contínuo (pica-pau) realizado pela programação do comando numérico.

As condições cinemáticas empregadas são comparáveis às existentes no processo de furação com vibração. Contudo, existe uma diferença essencial na velocidade de oscilação, que alcança

Figura 2 – Influência do procedimento com avanço intermitente sobre o comportamento do processo de furação da liga de alumínio AA7075

Figura 3 – Furação de titânio: aspecto da adesão do material e embotamento da ferramenta

até 1.000 Hz na furação com vibração, valor significativamente maior do que no presente caso. Testes efetuados na furação de alumínio mostraram que a adoção do processo de corte com avanço intermitente depois da fase inicial faz com que se obtenha uma evolução estável ao longo do processo (figura 2, pág. 21).

Somente na usinagem de ligas de titânio podem não ser obtidos resultados satisfatórios, em função da tendência à aglomeração de cavacos desse material durante a usinagem. Como é possível observar na figura 3, os cavacos se depositam sobre a camada abrasiva da ferramenta. O preenchimento do espaço intermediário faz com que ocorra acúmulo de materiais em função da alta pressão de usinagem e do atrito sobre as paredes do furo, sendo que, em algumas regiões, ocorre soldagem entre as múltiplas camadas de material.

Tempos reduzidos de usinagem

Contudo, os resultados apresentados provam que, apesar das menores frequências utilizadas e das interrupções mais lentas do corte, o processo com avanço intermitente viabiliza a usinagem com a ferramenta abrasiva de diamante. A aplicação industrial desse processo de manufatura requer, além da máxima segurança de processo, a definição dos tempos de ciclo.

Os ensaios executados para atender a essas solicitações mostraram que seria necessário alterar os parâmetros de corte de forma a reduzir o tempo de usinagem. Essa experiência mostrou que o avanço f, ocorrido durante o movimento intermitente adotado, não exerceu efeito sobre a redução do tempo útil calculada teoricamente. Uma variação no incremento do deslocamento durante o recuo levou a uma redução na duração do processo, mantendo

Figura 4 – Efeito da velocidade de avanço sobre a força axial e o tempo de ciclo

o mesmo nível de estabilidade (tabela 1 pág. 22). O processo com avanço intermitente, em comparação com alternativas de maior frequência de oscilação, resultou em um tempo de contato mais prolongado entre a ferramenta e o metal que está sendo usinado.

Na prática, a frequência de oscilação alcançada durante a operação ficou abaixo do valor teoricamente alcançável (fato decorrente da magnitude do incremento e da velocidade de avanço). As razões para isso estão na inércia do sistema de acionamento do avanço e do eixo-árvore, bem como na velocidade de processamento do comando numérico.

Forças axiais resultantes

Durante os ensaios efetuados com a liga de alumínio AA7075 foi possível constatar que a probabilidade da formação de depósitos sobre a ferramenta, que poderia

Figura 5 – Influência da magnitude do incremento (incremento delta) sobre a força axial na furação da liga de alumínio AA7075

colocar em risco a segurança do processo, depende da magnitude das forças axiais. Os processos que impõem continuamente altas cargas mecânicas sobre a ferramenta, em decorrência de maiores velocidades de avanço, apresentam maior probabilidade à deposição de alumínio na região de cavacos da ferramenta abrasiva.

A análise dos períodos de oscilação da ferramenta na fase de ataque mostrou que o tempo de ciclo t P (tempo entre dois picos de oscilação da força axial) exerce influência sobre a força de avanço Fx (figura 4). Pode-se constatar aqui que, para um longo tempo de ciclo, maiores forças axiais atuam da mesma for ma com tempos mais curtos. Sob as mesmas condições, o tempo de ciclo pode ser abreviado ao máximo por meio da elevação do avanço. Contudo, a intensidade do efeito não é muito grande. Uma redução do tempo de ciclo, em torno de 75% feita em função do avanço, fez com que a força axial caísse simultaneamente em cerca de 5%. Foi observado que a causa desse efeito é o tempo de ataque mais curto da ferramenta.

Ainda em relação ao intervalo do movimento intermitente, a diferença na direção do eixo Z, no curso de deslocamento, permite efetuar equivalências entre a força axial e o tempo de ciclo (figura 5). Isso significa que maiores incrementos levam a cursos de deslocamento mais longos e, dessa forma, oscilações mais lentas. Ou seja, é equivalente a um trajeto de corte mais longo da ferramenta entre os cursos de recuo. Em decorrência dos tempos de ataque mais prolongados, ocorreu a formação de cavacos mais longos, os quais são removidos com maior dificuldade da zona de trabalho

e se depositam localmente na frente dos grãos do material de corte. Esta ocorrência é a primeira etapa para o embotamento da ferramenta, o qual – dependendo dos parâmetros de corte – pode avançar ou ficar estabilizado.

Qualidade superficial constante ao longo da profundidade do furo

A literatura fornece exemplos de valores de referência da qualidade de furos usinados em materiais compósitos estratificados em termos dos requisitos industriais da rugosidade da parede do furo. Esses valores de Ra são iguais a 1,6 μm, no caso de superfícies metálicas, e a 3,2 μm para plásticos reforçados com fibras de carbono[5]. Por meio do uso do processo com avanço intermitente, com seu corte interrompido, as superfícies obtidas apresentaram maiores níveis de qualidade, que se situaram significativamente abaixo desses valores especificados. Neste caso, as medições da qualidade superficial comprovaram a adequação do processo de furação do alumínio com ferramenta abrasiva oca de diamante (tabela 2).

Conclusões

As investigações demonstram, de forma preliminar, a viabilidade do processo de furação usando ferramenta abrasiva de diamante.

Foi demonstrada a aplicabilidade desse processo para materiais usados em construção leve, desde que seja utilizado o processo com avanço intermitente.

O problema principal da usinagem de furos usando a ferramenta abrasiva oca de diamante é o embotamento localizado na ferramenta que ocorre em alguns grãos de diamante preferenciais. Levando-se em consideração a direção de furação, a deposição da camada de embotamento ocorre sempre na direção do deslocamento do corte. Isso significa que o material proveniente de um grão de corte ou de um depósito já existente fica retido e, no melhor dos casos, adere parcialmente à ferramenta.

Os ensaios efetuados não permitiram constatar a influência do atrito exercido pela parede, no caso de furos com maiores profundidades, sobre o processo de furação. O problema principal associado à usinabilidade de ligas de titânio de difícil usinagem, ou seja, Ti-6Al-4V, que está relacionado com o embotamento da ferramenta, ainda não foi satisfatoriamente resolvido após a adoção de modificações simples.

Além disso, os ensaios mostraram que a usinagem de materiais compósitos estratificados, constituídos de plásticos reforçados com fibras de carbono e liga de alumínio AA7075, não é problemática, uma vez que, a princípio, seus componentes isolados apresentam boa usinabilidade. Por meio da oscilação sob frequências mais altas da ferramenta, ou da peça em processamento, e do uso de massas oscilantes menores, foi possível estabelecer um processo de corte alternado sob alta frequência.

Referências

  1. Biermann, D.; Feldhoff, M.: Bohrbearbeitung von faserverstärktem Kunststoff mittels Diamantschleifstifte. Diamant Hochleistungswerkzeuge, 4 (2010), p. 43-40, 2010.

  2. Brinksmeier, E.; Janssen, R.: Drilling of multi-layer composite materials consisting of carbon fiber reinforced plastics (CFRP), titanium and aluminum alloys. CIRP Annals – Manufacturing Technology, 51 (2002), p. 87-90, 2002.

  3. Feldhoff, M.: Modellgestützte Werkzeug – und Prozessentwicklung des Bohrschleifens faserverstärkter Duromere. Dissertation Dortmund, Vulkan Verlag Essen, 2012.

  4. Liu, D.; Tang, Y.; Cong, W. L.: A review of mechanical drilling for composite laminates. Composites Structures, 94 (2012), p. 1.265-1.279, 2012.

  5. Shyha, I.; Soo, S. L.; Aspinwall, D. K.; Bradley, S.; Perry, R.; Harden, P.; Dawson, S.: Hole quality assessment following drilling of metallic-composite stacks. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 51 (2011), p. 569-578, 2011.


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