A usinagem de superligas de níquel, em especial o Inconel 718, possuiu inúmeros fatores que a tornam difícil de ser executada em comparação com a usinagem de outros metais, tais como retenção de resistência em altas temperaturas, alta resistência ao cisalhamento dinâmico, presença de carbonetos duros em sua microestrutura, baixa difusividade térmica e efeitos de encruamento durante a usinagem. Assim, ocorrem efeitos indesejados como alto desgaste da ferramenta de corte, baixa integridade superficial e formação de cavaco contínuo^(6,13,16).

A medição da temperatura exata na interface ferramenta-peça é um grande desafio na usinagem, fator que se agrava devido à natureza intermitente do fresamento. Além disso, fatores como velocidade de corte, aresta postiça de corte e avanço, e a geração do cavaco, atrapalham as medições⁽¹⁹⁾. Mas há diversos métodos que podem ser usados para aferir as temperaturas durante o corte, como termopar ferramenta-peça⁽⁹⁾, termografia⁽²⁾, termopar implantado⁽⁵⁾, termopar inserido⁽³⁾ e simulação⁽¹⁵⁾, entre outros. O Efeito Seebeck, nomeado em homenagem ao físico alemão Thomas Johann Seebeck, que o descobriu em 1821, é um fenômeno termoelétrico no qual a diferença de temperatura entre dois condutores ou semicondutores diferentes produz uma diferença de potencial elétrico, causado pela transferência de elétrons entre os materiais, estabelecendo um fluxo de corrente. A relação entre a diferença de tensão gerada e a diferença de temperatura entre as duas junções em um termopar podem ser calibradas, sendo o coeficiente angular conhecido como coeficiente Seebeck⁽¹⁰⁾. Enquanto no torneamento o uso de termopar ferramenta-peça ocorre devido a diversos fatores, como o regime estatisticamente permanente de formação do cavaco, no fresamento o seu uso é menor devido à alternância entre os ciclos ativos e passivos e à dificuldade em unir as juntas e isolar o sistema. Na usinagem o método do termopar ferramenta-peça utiliza a força eletromotriz F.E.M. para medir a temperatura na junta quente, a qual corresponde ao contato da aresta de corte entre a ferramenta e a peça de trabalho. Diversos cuidados têm de ser tomados ao usar este método, como o uso de milivoltímetros, calibração específica para cada tipo de material e o correto uso de isolamentos e juntas^(14,18). Na literatura⁽⁶⁾ há trabalhos em que foram comparados três métodos de lubri-refrigeração no processo de torneamento do Inconel 718: usinagem a seco, usinagem com líquido refrigerante e ferramenta com refrigeração interna (FRI), além de dois níveis de revestimento da ferramenta e de velocidade de corte. Ao comparar a temperatura na interface por meio de termopar ferramenta-peça, foi constatado que ao usar revestimento de TiNAl as menores temperaturas foram FRI seguido por jorro, enquanto ao usar AlCrN, as menores temperaturas foram jorro seguido por FRI, com a usinagem a seco sem refrigeração apresentando as maiores temperaturas. De acordo com a literatura⁽⁷⁾, foi percebido que a temperatura de corte aumentou no torneamento de Inconel 718 conforme o aumento da velocidade de corte, avanço e profundidade de corte. Além disso, o uso de revestimento de TiN reduziu a temperatura em comparação à usinagem sem revestimento.

Lima (2017) utilizou o método do termopar ferramenta-peça para o fresamento de aço ABNT D2 recozido. Foi necessário isolar eletricamente os componentes, com a peça colocada sobre uma placa de nylon, e a ferramenta foi coberta por uma película de tinta isolante. Para transferir o sinal da ferramenta foi usada uma escova de grafite conectada à haste. Ao comparar os métodos de termopar inserido e de simulação, os resultados demonstraram que a temperatura de fresamento aumenta com a elevação dos valores de velocidade de corte, avanço, profundidade de corte e penetração de trabalho, sendo a velocidade de corte o parâmetro mais influente para a temperatura no termopar ferramenta-peça, e a profundidade de corte foi o fator mais significativo para o termopar implantado.

Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de termopar ferramenta-peça e comparar as temperaturas na interface no fresamento de Inconel 718 em cinco diferentes métodos de lubri-refrigeração: sem refrigeração, com ar comprimido, mínima quantidade de lubrificante, tubo de vórtice e jorro.

 

Metodologia

O material usinado é uma liga de Inconel® 718 envelhecida, com dimensões de 300 mm x 217 mm x 102 mm e produzida pela Villares Metals sob o nome de VAT718A, no qual a composição química é mostrada na tabela 1, sendo níquel, cromo e ferro os elementos com maior representação. As propriedades mecânicas estão na tabela 2. A dureza superficial foi aferida na superfície após a usinagem com valor de 37 ± 2,6 HRC. Este material foi escolhido devido às altas temperaturas que apresenta durante a usinagem, assim como baixa condutividade térmica e permanência de resistência em altas temperaturas. Devido a essas propriedades, o estudo de diferentes técnicas é de suma importância para a otimização da usinagem desta liga, reduzindo custos e melhorando a qualidade final da peça. Foram testadas cinco condições de lubri-refrigeração (LR): sem refrigeração (SR), ar comprimido ( AC ) , mínima quantidade de lubrificante (MQL), ar comprimido refrigerado por tubo de vórtice (TV) e fluido de corte em abundância (jorro). Também foram estabelecidos: velocidade de corte de 30 m/min, avanço por dente de 0,1 mm, profundidade de corte de 0,25 mm e penetração de trabalho de 10 mm, conforme a tabela 3.

Na condição sem refrigeração (SR) não foi usado nenhum método forçado de lubri-refrigeração. Já nas condições de ar comprimido (AC) e mínima quantidade de lubrificante (MQL), foram usados dois bicos com diâmetro de 1,75 mm e pressão de 4 bar, com a diferença de que no MQL foi usado o aplicador Bielomatik B1-210 e o óleo mineral Vascomill MMS FA 2 da Blaser Swisslube. Para a refrigeração com tubo de vórtice foi utilizado o Emuge Franken Cold Air Nozzle. A pressão na entrada do sistema era de 10 bar. Diferentemente dos outros métodos, a saída ocorre em um único bico, com temperatura entre -15 ºC e -10 ºC. Para o teste envolvendo fluido de corte em abundância (jorro) foi usada a emulsão de Vasco 3000 CI da Blaser Swisslube com concentração de 10%, com aferição feita com um refratômetro analógico RHB32, e aplicação por dois bicos com diâmetro de 9,5 mm e 3,5 mm em posição semelhante à aplicação de AC e MQL.

Para realizar a usinagem foram utilizadas as ferramentas de corte SDMT 120508ER-F50 CTCS245, as quais têm como aplicações recomendadas a usinagem de ligas de níquel. As ferramentas possuem 12% de cobalto e revestimento de CVD TiN-TiB2 com dureza HV30 de 1260⁽⁴⁾. O corpo de fresa escolhido para este estudo é o G490.32.R.03-12 fabricado pela Ceratizit, que possui a capacidade de acomodar até três ferramentas de corte simultaneamente. A fim de reduzir a quantidade de ferramentas a serem utilizadas, optou-se pelo uso de apenas uma ferramenta em condição de corte. Entretanto, para evitar desequilíbrios durante a operação de corte, foram instaladas duas ferramentas desgastadas previamente em um esmeril, as quais permaneceram sem contato com a peça durante toda a usinagem. Para a medição da temperatura de corte por termopar ferramenta-peça foi usada uma placa de aquisição National Instruments USB-6211 de 16 bits e taxa de aquisição de 1.000 Hz, com tempo total do ensaio de 10 s. Para evitar interferência elétrica, a placa de aquisição foi conectada a um computador portátil ligado na bateria. Os dados da tensão foram convertidos em formato de texto (.txt) usando o software Labview e posteriormente analisados utilizando o software MatLab.

Para o correto isolamento do sistema termopar ferramenta-peça foi feito o isolamento da peça em relação à mesa do centro de usinagem com borracha butílica. O isolamento da ferramenta foi feito por pintura com tinta spray na haste do corpo de fresa. A condutividade foi testada com um multímetro digital DT-830B. Para completar o circuito elétrico, foi conectado um fio de cobre entre a peça de Inconel 718 e a placa de aquisição, além de outro fio de cobre com 1 mm de espessura, conectado entre a placa de aquisição e um sistema de coletor elétrico feito de arame de aço carbono, que estava em contato com o prolongador do corpo de fresa (figura 1), semelhante ao sistema de anel coletor elétrico. A figura 2 mostra o diagrama das juntas e os materiais presentes no sistema termopar ferramenta-peça, onde a junta 1 (J1) representa o ponto de contato do termopar ferramenta-peça. As demais juntas são necessárias para transferir a diferença de potencial para a placa de aquisição, mediante às juntas 2 à 6. Para padronizar os experimentos, as ferramentas possuíam desgaste de flanco máximo de 0,15 mm antes de cada ensaio.

Figura 1 – Esquemas dos componentes e juntas do termopar ferramenta-peça.

A equação 1 mostra a relação fundamental entre a diferença de potencial na junta de um termopar (UJ ) e a temperatura na junta (TJ ), usando os coeficientes de ajuste angular (A) e linear (B). A equação 2 delineia a diferença de potencial total em relação à diferença de potencial em cada uma das juntas, considerando que a temperatura permanece constante em todas, exceto em J1, devido ao breve tempo de usinagem de 10 s. Assim, a equação 2 pode ser reformulada na forma mais conveniente expressa pela equação 3. A temperatura durante a usinagem (TU) é determinada pela equação 4, onde a constante B3 é a soma das constantes que requerem calibração, além da calibração da constante A1.

Figura 2 – Diagrama de juntas e materiais do termopar ferramenta-peça.

Para calibração, o sistema de termopar ferramenta-peça foi montado no forno do tipo mufla, e o contato da ferramenta-peça foi simulado com uma haste de metal duro semelhante à ferramenta, sendo ambos fornecidos pela Ceratizit, com cavaco contínuo de Inconel 718. As outras juntas foram montadas próximas ao forno, conforme mostra a figura 3. Também para calibração, foi alterada a temperatura no interior do forno e aferida a diferença de potencial total do sistema através da placa de aquisição, e comparada com um termopar tipo K, conforme a figura 4(a), onde a temperatura foi estabilizada por cinco minutos depois de feitas cinco medições de tensão para cada temperatura.

Figura 3 – Esquemas do posicionamento das juntas para a calibração do forno.

Com os dados obtidos foi realizada a interpolação linear, sendo a temperatura de usinagem na interface ferramenta-peça mostrada na equação 5. Para evitar interferências foi aplicado um filtro passa-baixa com frequência de corte de 20 Hz, correspondente a aproximadamente o dobro da frequência de rotação da fresa na velocidade máxima e ao quádruplo na velocidade mínima (figura 4(b)). Este é um exemplo de curva de temperatura em função do tempo, retratando o caráter cíclico do fresamento. Os resultados foram tratados por meio do teste de Tukey a fim de separar os grupos, identificando quais médias diferem significativamente entre si pela análise de variância (ANOVA) por meio do teste F. Foram feitas duas análises: as temperaturas médias em cada período de aquisição e as 20% maiores temperaturas, que são obtidas no período ativo da usinagem. A confiança utilizada foi de 95% e foram feitas cinco medições para cada condição.

Figura 4 – a) calibração do termopar ferramenta-peça; b) exemplo de curva de temperatura em função do tempo para MQL.

 

Onde:

UT (V) = diferença de potencial total

UJ (V) = diferença de potencial na junta

TJ (ºC) = temperatura na junta

A (V/ºC) = coeficiente de ajuste angular

B (V) = coeficiente de ajuste linear

Tu (ºC) = temperatura de usinagem na interface ferramenta-peça.

 

Resultados e discussões

A figura 5 mostra as temperaturas médias para cada condição, enquanto a figura 6 mostra as 20% maiores temperaturas, representando as temperaturas no período ativo do fresamento, com intervalo de confiança de ± 2σ. Já as tabelas 4 e 5 mostram os resultados para a análise de variância, nas quais houveram diferenças estatísticas nos grupos para uma confiabilidade de 95%.

Figura 5 – Temperaturas médias.

Em se tratando do teste Tukey, a tabela 5 mostra os grupos de tratamento para a média de temperatura em cada experimento. Em relação ao valor numérico, a usinagem sem refrigeração (SE) apresentou maior grandeza, uma vez que não houve qualquer método forçado para diminuição da temperatura, mas apresentou valor próximo ao da usinagem com ar comprimido (AC), na qual somente o escoamento de ar forçado retira calor, mas continuam dentro do mesmo grupo de tratamento. O uso da mínima quantidade de fluido lubrificante (MQL) apresentou valores numéricos menores. Uma vez que a presença da névoa de fluido influenciou o resultado, a menor temperatura do fluxo de ar ocasionou menor temperatura média. Mas dentro da estatística para o fator de confiabilidade de 95%, todas estas quatro condições estão dentro do mesmo grupo, ou seja, não possuem diferença estatística. Há um segundo grupo, o qual é composto por AC, MQL, TV e Jorro. Este apresentou as menores temperaturas, devido à presença do maior coeficiente de convecção proporcionado pela inundação de líquido, além da lubrificação presente no sistema.

Figura 6 – Temperaturas 20% maiores.

Para o teste de Tukey para as 20% maiores temperaturas, as quais tendem a corresponder ao período ativo da usinagem, a separação ocorreu em três grupos sem variação estatística entre si, sendo o grupo com as maiores temperaturas composto por SR, AC e TV. Para temperaturas intermediárias, AC, TV e MQL, e menores temperaturas, MQL e Jorro. Apesar de não haver diferença estatística para a confiabilidade de 95%, houve uma inversão da ordem das temperaturas entre TV e MQL. Por mais que TV apresente menor temperatura do ar, entre -15 ºC e -10 ºC, o maior coeficiente de convecção do MQL, devido a dois bicos com maior pressão, representou maior influência em diminuir a temperatura no período ativo do fresamento. Já o TV apresentou maior influência no período passivo do fresamento, devido à maior diferença de temperatura. A literatura (17) mostrou que o uso de MQL também resultou em menores temperaturas do que o fresamento a seco do aço AISI 1040, bem como que a diferença de temperaturas entre seco e MQL ocorreu com maior destaque em velocidades de corte maiores. Também há na literatura (20) um trabalho que envolveu simulação e comparação da quantidade mínima de lubrificante criogênica (MQLC) no fresamento de aço 300, no qual a temperatura foi menor em todas as condições, devido à melhor lubrificação, menor temperatura e maior coeficiente de convecção. Em outro trabalho (1) foi estudado o uso de gerador de vórtice durante o torneamento de Inconel 718 com ferramentas de metal duro não revestidas variando velocidade, avanço e ambiente (turbo vórtice e seco). Os resultados mostraram que o turbo de vórtice reduziu consideravelmente a temperatura para todas as condições.

 

Conclusão

Este estudo investigou as temperaturas na interface cavaco-ferramenta durante o fresamento de Inconel 718 usando termopar ferramenta-peça sob diferentes condições de lubri-refrigeração. Os resultados mostraram que as condições de lubri-refrigeração impactam significativamente as temperaturas apresentadas durante o fresamento. O método do termopar ferramenta-peça foi eficiente em medir as temperaturas na interface ferramenta-peça.

A usinagem sem refrigeração apresentou as maiores temperaturas na interface, evidenciando a importância de métodos de lubri-refrigeração para o controle térmico. O uso de ar comprimido e de mínima quantidade de lubrificante (MQL) conseguiu reduzir as temperaturas em comparação com a usinagem sem refrigeração, porém, essas reduções não apresentaram diferenças estatísticas significativas entre si.

O método de tubo de vórtice, embora opere com temperaturas de ar mais baixas (-15 ºC a -10 ºC), mostrou-se menos eficiente na redução da temperatura durante o período ativo do fresamento em comparação ao MQL. Este último apresentou uma melhor performance na redução de temperatura devido ao maior coeficiente de convecção proporcionado pela névoa de fluido lubrificante.

Dentre todos os métodos estudados, o jorro de fluido refrigerante foi o mais eficaz na redução da temperatura média, atribuído ao seu alto coeficiente de convecção e à capacidade de remover calor de forma eficiente da interface de corte. A análise estatística, pela análise de variância e o teste de Tukey, indicou que, apesar das diferenças numéricas observadas entre as condições de lubri-refrigeração, apenas a usinagem sem refrigeração se mostrou estatisticamente distinta em termos de temperaturas médias e das 20% maiores temperaturas.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem à Villares Metal S.A. pelo fornecimento de Inconel 718, à Ceratizit, a qual contribuiu com o fornecimento do corpo de fresa e dos insertos, e à Nipo-Tec Ferramentas Industriais, pelo prolongamento da haste. Agradecimentos também às agências de fomento Capes, CNPq e FAPEMIG, à Universidade Federal de Uberlândia (UFU) e ao Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem (LEPU).

 

Responsabilidade pelas informações

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

 

Referências

1) Achar, Bhaskara P., Grynal D’Mello, P. Srinivasa Pai, and K. Gururaj. 2019. “Use of Vortex Tube Air Cooling during Machining of Inconel 718: Experimental Investigation and Modeling Studies.” Journal of Mechanical Engineering Research and Developments 42(5):127–31. doi: 10.26480/jmerd.05.2019.127.131.

2) Barbosa, Lucas Melo Queiroz, Pedro Henrique Pires França, Gustavo Henrique Nazareno Fernandes, Eder Silva Costa, Marcio Bacci da Silva, Paulo Sérgio Martins, and Álisson Rocha Machado. 2023. “Comparison of the Performance of the Internally Cooled Tool in Closed Circuit against Standard PCBN Tools in Turning AISI D6 Hardened.” Journal of Manufacturing Processes 107:1–15. doi: 10.1016/j. jmapro.2023.10.038.

3) Campidelli, Augusto F. V., Hugo V. Lima, Alexandre M. Abrão, and Antônio A. T. Maia. 2019. “Development of a Wireless System for Milling Temperature Monitoring.” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 104(1–4):1551–60. doi: 10.1007/s00170- 019-04088-0.

4) Ceratizit. 2018. “GRADE CTCS245 FOR MILLING HEAT RESISTANT NICKEL-BASED ALLOYS.” 6.

5) Le Coz, G., M. Marinescu, A. Devillez, D. Dudzinski, and L. Velnom. 2012. “Measuring Temperature of Rotating Cutting Tools: Application to MQL Drilling and Dry Milling of Aerospace Alloys.” Applied Thermal Engineering 36:434–41. doi: https://doi.org/10.1016/j. applthermaleng.2011.10.060.

6) Fernandes, Gustavo Henrique Nazareno, Lucas M. Q. Barbosa, Pedro H. P. França, Paulo S. Martins, and Álisson R. Machado. 2023. “Towards Green Machining: Wear Analysis of a Novel Ecofriendly Cooling Strategy for Inconel 718.” International Journal of Advanced Manufacturing Technology. doi: 10.1007/ s00170-023-12207-1.

7) Fernandes, Gustavo Henrique Nazareno, Lucas Melo Queiroz Barbosa, Pedro Henrique Pires França, Eduardo Ramos Ferreira, Paulo Sérgio Martins, and Álisson Rocha Machado. 2024. “Enhancing Sustainability in Inconel 718 Machining: Temperature Control with Internally Cooled Tools.” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 131(5–6):2771–89. doi: 10.1007/s00170- 023-12296-y.

8) Fernandes, Gustavo Henrique Nazareno, Eduardo Ramos Ferreira, Pedro Henrique Pires França, Lucas Melo Queiroz Barbosa, Edmundo Benedetti Filho, Paulo Sérgio Martins, and Álisson Rocha Machado. 2024. “Internally Cooled Tools as an Innovative Solution for Sustainable Machining: Temperature Investigation Using Inconel 718 Superalloy.” CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology 50(March):269–84. doi: 10.1016/j. cirpj.2024.03.001.

9) França, Pedro Henrique Pires, Lucas Melo Queiroz Barbosa, Gustavo Henrique Nazareno Fernandes, Leonardo Rosa Ribeiro da Silva, Álisson Rocha Machado, Paulo Sérgio Martins, and Márcio Bacci da Silva. 2022. “Thermal Analysis of a Proposed Internally Cooled Machining Tool System.” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. doi: 10.1007/s00170-022-10602-8.

10) Kaminise, Almir Kazuo, Gilmar Guimarães, and Márcio Bacci Da Silva. 2014. “Development of a Tool-Work Thermocouple Calibration System with Physical Compensation to Study the Influence of Tool-Holder Material on Cutting Temperature in Machining.” International Journal of Advanced Manufacturing Technology 73(5–8):735–47. doi: 10.1007/s00170-014-5898-0.

11) Oliveira, A. R. F., L. R. R. da Silva, V. Baldin, M. P. C. Fonseca, R. B. Silva, and A. R. Machado. 2021. “Effect of Tool Wear on the Surface Integrity of Inconel 718 in Face Milling with Cemented Carbide Tools.” Wear 476(March):203752. doi: 10.1016/j. wear.2021.203752.

12) Oliveira, André. 2021. “Integridade Superficial de Inconel 718 Fresado Com Ferramenta de Metal Duro Em Diferentes Condições de Corte.” Universidade Federal de Uberlândia.