Com o avançar da indústria como um todo, tem-se observado uma demanda por sistemas e componentes com capacidade para executar mais funções do que sistemas convencionais, assim como sensores e circuitos embarcados. Ao mesmo tempo, se faz necessária a diminuição das dimensões de tais componentes, tendência que pode ser entendida como miniaturização. Para Câmara et al. (2017), a microusinagem surge como um processo de fabricação que pode auxiliar na obtenção de peças e componentes para atender essa demanda. Ainda de acordo com o autor, a microusinagem pode ser entendida como um processo de fabricação que envolve a remoção de material visando uma determinada forma e dimensão, e um acabamento específico, tendo suas dimensões em escalas micrométricas. Apesar de ainda não haver um consenso entre autores sobre a definição de microusinagem, alguns fatores já são aceitos de forma uníssona, abordados em pesquisas e na literatura da área, tais como a relevância do raio de ponta da ferramenta de corte, diferenciando-a da usinagem convencional que tende a não levar em conta tal fator, e o fato de considerar perfeitamente afiadas regiões limítrofes de usinagem contidas entre 1 a 1.000 µm, efeito escala e espessura mínima de corte ^{(5, 6, 8)}.

A microusinagem possui algumas peculiaridades que a diferenciam da usinagem convencional, demandando assim um estudo aprofundado e específico do assunto para melhor compreensão. Entre as peculiaridades temos o efeito escala, que pode ser compreendido  como um aumento da demanda de energia específica de corte do material microusinado ao reduzir para escalas micrométricas. Este aumento específico apresenta um comportamento não linear, e a depender da liga em análise, até mesmo próximo de um comportamento exponencial. Entre os fatores geradores do efeito escala, tem-se o tamanho e o formato do contorno de grão da liga microusinada, pois em processos de microusinagem, por lidar com dimensões micrométricas e escalas semelhantes com o raio da ponta da ferramenta de corte, muitas vezes será necessário o rompimento de tal, causando um aumento na demanda por energia de corte. Outro dificultador no processo de microusinagem envolvendo o raio da ferramenta de corte é seu formato arredondado, não podendo ser somente considerado perfeitamente afiado, fazendo com que a saída de material microusinado (cavaco) tenha ângulo negativo, causando resistência ao corte e ao avanço da ferramenta de corte, acarretando aumento da energia específica de corte ⁽¹⁾.

Entre as formas para validação da qualidade do acabamento superficial dos canais microusinados, tem-se o levantamento e a análise de parâmetros de rugosidade. De acordo com a literatura ⁽⁷⁾, entre os parâmetros de rugosidade relevantes destacam-se Rp, Rv e Rt, por permitirem o entendimento da formação de vales e picos na superfície analisada, bem como a proporção de vales e picos e o distanciamento entre esses pontos. Rp é definido como a altura máxima do pico em comparação a uma linha média definida pela média entre vales e picos dentro de um intervalo específico de amostragem analisado. Rv pode ser compreendido como a máxima profundidade de vale em comparação à mesma linha média dentro do intervalo de amostragem analisado, e Rt como a maior distância entre picos e vales em um determinado espaço de análise, permitindo compreender se essa proporção se altera com o avançar dos testes.

Para os ensaios e a análise de acabamento superficial a liga microusinada e estudada foi o Inconel 718, uma superliga de níquel muito usada na indústria aeronáutica por suas boas propriedades mecânicas mesmo quando é submetida a altas temperaturas. Porém, devido à sua afinidade química com diversos metais usados em ferramentas de corte e ao seu baixo coeficiente de transferência de calor, é considerada uma liga de difícil usinabilidade, demandando estudos mais aprofundados para o levantamento de melhores condições e parâmetros de corte ⁽⁹⁾. Podemos assim definir o objetivo deste trabalho como a realização de ensaios de microcanais pelo processo de microfresamento para diferentes valores de avanço por dente. A ferramenta de corte utilizada é uma microfresa de metal duro, com 400 µm de diâmetro, revestida de (Ti, Al)N. Após o ensaio dos canais, com o auxílio de instrumentação especializada para análise de acabamento superficial, foram obtidos os valores de rugosidade Rp, Rv e Rt, podendo ser aferido se houve alguma tendência à melhora ou piora de acabamento superficial para os diferentes parâmetros de avanço/ dente definidos.

 

Materiais e métodos

Conforme foi abordado, o Inconel 718 é uma liga à base de níquel. Sua composição é mostrada na tabela 1. A máquina de microusinagem usada foi a CNC Mini-Mil/GX minitech Machinery Corporation, que possui velocidade máxima de avanço de 1.000 mm/min, rotação máxima de eixo árvore de 60.000 rpm e 0,1 µm de resolução de posicionamento em cada eixo. Vale ressaltar que todos os ensaios foram realizados em ambiente controlado com temperatura ambiente de 24,0 ± 1,0°C. Para o experimento foi fixada rotação do eixo árvore de 5.000 rpm e profundidade de usinagem (ap) de 10 µm. Para a rotina experimental foram feitas três rodadas de teste, onde cada rodada era composta por quatro ensaios com diferentes valores de avanço/ dente, totalizando assim doze canais microusinados.

Para a fabricação dos microcanais, optou-se pelo microfresamento com microfresa de topo, de metal duro e revestida de (Al,Ti)N, tendo 400 µm de diâmetro e raio de ponta de 1,1 ±0,1 µm. Na figura 1 tem-se a representação da microfresa utilizada nos ensaios, com suas dimensões em milímetros, e na tabela 2 estão os valores de avanço por dente (Fz) e a rotina do experimento. Vale frisar que os parâmetros de corte e diferentes valores de avanço/dente foram levantados com base em trabalhos anteriores ^{(4, 5,)}, e a velocidade de corte foi baseada em ⁽⁶⁾.

 

Figura 1 – Microferramenta MS2MSD0040 (Mitsubishi, 2024).

 

 

Após a fabricação dos microcanais, foi realizada a limpeza da superfície deles com etanol (C2H6O). Para a análise de acabamento superficial dos microcanais foi utilizado o microscópio eletrônico de varredura a laser Olympus Lext OLS4100, permitindo também o levantamento dos parâmetros de rugosidade Rp, Rp e Rt. Para a análise de superfície optou-se por um cut-off de 800 µm, com comprimento de amostragem n = 5 e intervalo de confiança de 95,45%. Para cada canal foram realizadas três medidas e levantado o valor médio, que será o adotado para as análises estatísticas. Com os dados obtidos e o auxílio de softwares apropriados, é possível gerar imagens tanto em 2D quanto em 3D da superfície analisada, permitindo assim uma análise quantitativa dos valores de rugosidades superficiais definidos para a análise.

 

Resultados e discussões

Usando os dados obtidos pela análise por microscopia do acabamento superficial dos microcanais foram plotados gráficos de Rp e Rv individualmente, um gráfico comparativo entre Rp e um gráfico de Rt. Junto ao gráfico foram geradas linhas de tendência (em vermelho) e as barras de erros. Tal análise permitiu um melhor entendimento sobre a incidência de vales e picos, e a compreensão mais aprofundada da qualidade do acabamento superficial dos canais microusinados para diferentes valores de avanço/dente.

Pela análise do gráfico dos valores médios de Rp (figura 2), inicialmente tem-se uma linha de tendência crescente, indicando que com o avançar dos testes houve uma piora no acabamento superficial da peça para todos os valores de avanço por dente. Tal fator pode ser atribuído ao desgaste da ferramenta de corte com o avançar dos testes, não havendo substituição ou afiação durante toda a rotina do experimento. Vale também ressaltar que não foi possível definir inicialmente um valor de avanço por dente que resultasse nos menores valores de picos e vales em relação a uma linha média. Pela análise do gráfico de valores médios de Rv (figura 3), também não é possível determinar um valor de avanço por dentes que permita obter os menores valores de picos em relação aos vales, porém, foi mantida a linha de tendência positiva, corroborando a conclusão de que possivelmente o desgaste da ferramenta de corte aumenta a incidência de vales e picos.

 

Figura 2 – Valores médios de Rp.

 

Figura 3 – Valores médios de Rv.

 

Ao comparar os valores de Rp e Rv (figura 4), foi possível observar uma tendência de formação de picos (barra azul) em relação aos vales (barra laranja), sendo uma tendência em todos os valores de avanço nas três rodadas de testes. Na figura 5, ao analisar os valores de Rt médio, é possível observar a tendência de uma certa estagnação na proporção da distância entre vales e picos, implicando no fato de que tal parâmetro não apresentou, quase no geral, valores que possam vir a ser relevantes para a seleção do melhor avanço por dente. Porém, para o avanço de 4,0 µm/dente no teste 3, observou-se um aumento acentuado no valor de Rt, sendo necessárias análises futuras para melhor entendimento de tal anomalia. Para os valores de pico (Rp) na primeira rodada de testes os avanços de 0,5 µm/ dente e 4,0 µm/dente resultaram nos maiores valores de picos, enquanto o valor de 1,0 µm/dente resultou nos menores valores. Porém, na rodada de teste 2 ocorreu uma piora expressiva para o avanço de 2,5 µm/dente, e no teste 3 uma piora também relevante para o avanço de 4,0 µm/dente. Na análise de vales (Rv) observou-se um padrão de acabamento superficial semelhante ao de Rp, tendo seus valores mais acentuados nos mesmos avanços e testes que se observou para Rp. Em se tratando dos valores de Rt, não foram observadas grandes mudanças ou perdas na qualidade de acabamento superficial durante praticamente todos os três testes, com exceção dos avanços de 2,5 µm/dente no teste 2 e o de 4,0 µm/dente no teste 3.

 

Figura 4 – Comparação de valores médios de Rp e Rv

 

Figura 5 – Valores médios de Rt

 

O desgaste da ferramenta de corte com o avançar dos testes, por mais que não seja o foco do trabalho, não pode ser descartado, sendo possivelmente um dos fatores que influenciaram o aumento dos valores de todos os parâmetros de rugosidade e geraram as linhas de tendência crescentes. Vale ressaltar que não foi analisado o desgaste da ferramenta de corte ou a perda de afiação da ponta e aresta de corte com o avançar da rotina experimental de microfresamento dos canais. A predominância de vales em relação aos picos foi outro fator de grande relevância na análise, pois, de acordo com a literatura ⁽³⁾, peças e equipamentos usados em sistemas que envolvam atritos e fricção podem sofrer um desgaste precoce com uma maior incidência de pico ao longo de sua superfície.

 

Conclusão

Após o levantamento e a análise de dados da rugosidade Rp, Rv e Rt dos canais microusinados, bem como o estudo de outras literaturas para um melhor entendimento sobre a microusinagem de Inconel 718, chegou-se à conclusão de que a comparação de picos (Rp) em relação aos vales (Rv) permitiu observar uma maior tendência à formação de picos, não havendo um equilíbrio na proporção de distribuição de picos e vales ao longo dos microcanais analisados. O avanço de 4,0 µm/dente no teste 3 apresentou uma grande barra de erro e valor muito divergente dos outros avanços analisados, sendo necessárias futuras análises tanto sobre as possibilidades de fixação de arestas postiças pelo baixo valor de rotação do eixo árvore quanto o fator de influência do maior valor de avanço/dente.

Os valores de Rt mantiveram-se baixos em quase todos os avanços ao longo de todo o teste, mostrando que tal fator não apresentou piora ou melhora significativa para os diferentes valores de avanço por dente definidos, salvo para o avanço de 4,0 µm/dente. Para a análise e proposição do trabalho, os valores de Rp e Rv foram de grande valia para a análise de Rt, mostrando que havia uma tendência maior à formação de picos, causando assimetrias ao longo dos canais microusinados na proporção pico-vale. Tal fator não seria possível de se levantar e concluir somente com Rt, que se manteve em bons números para quase todos os valores de avanço por dente analisados.

Para trabalhos futuros seria ideal uma análise estatística dos dados obtidos, buscando compreender com maior clareza o comportamento das barras de erros e os desvios-padrões, bem como outros parâmetros estatísticos que venham a ser relevantes. Apesar de não ser o enfoque do trabalho, fatores como o desgaste e a adesão de material à ferramenta de corte são tópicos relevantes, podendo ser temas de futuros trabalhos.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Departamento da Engenharia Mecânica (ENM), à Faculdade de Tecnologia (FT) e à Universidade de Brasília (UnB). Agradecem também ao Decanato de Ensino de Graduação (DEG) e ao CNPq processo 402730/2023-2.

 

Responsabilidade pelas informações

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

 

Referências

1) Aramcharoen, A., Mativenga, P., 2009. “Size effect and tool geometry in micromilling of tool steel”. Precision Engineering, Vol. 33, pp. 402–407. 

2) Câmara, M., Rubio, J.C., Abrão, A., e Davim, J., 2012. “State of the art on micromilling of materials, a review”. Journal of Materials Science Technology, Vol. 28, pp. 673–685. 

3) Das, S., Kumar, A., Dhupal, D., 2016. “Experimental investigation on cutting force and surface roughness in machining of hardened AISI 52100 steel using cbn tool”. International Journal of Machining and Machinability of Materials, Vol. 15, pp. 501–521. 

4) de Oliveira, D., Gomes, M.C. and da Silva, M.B., 2020. “Influence of cutting fluid application frequency on the surface quality of micromilled slots on inconel 718 alloy”. Procedia Manufacturing, Vol. 48, pp. 553–558. 

5) de Paiva Silva, G., Bacci da Silva, M. e de Oliveira, D., 2023a. “Influence of abrasive deburring in indirect tool wear measurement in micromilling of inconel 718”. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Vol. 45, No. 5. 

6) de Paiva Silva, G., de Oliveira, D. e Malcher, L., 2023b. “Numerical study of the minimum uncut chip thickness in micro-machining of inconel 718 based on johnson–cook isothermal model”. International journal of advanced manufacturing technology, Vol. 127, No. 5-6, pp. 2707–2721.

7) Gadelmawla, E., Koura, M., Maksoud, T., Elewa, I. e Soliman, H., 2002. “Roughness parameters”. Journal of materials processing technology, Vol. 123, No. 1, pp. 133–145. 

8) Oliveira, D. A. de, Reis, B. C. M., Pereira, N. F. S., Rubio, J. L., Abrão, A. M., e Câmara, M. A., 2023. “Tribological effects of micromilling of hardened AISI D2 steel on tool wear and top burr formation”. Springerlink, Vol. 127, Nos. 11- 12, pp. 5327-5341. 

9) Pusavec, F., Hamdi, H., Kopac, J., e Jawahir, I., 2011. “Surface integrity in cryogenic machining of nickel based alloy - inconel 718”. Journal of materials processing technology, Vol. 211, No. 4, pp. 773–783. 

10) Tang, Z., Yang, C., Duan, Y., Ma, L., Zheng, S. e Li, M., 2024. “Corrosion and wear behaviors of inconel 718 nickel-based alloy by boroaluminizing”. Surface and Coatings Technology, Vol. 478, p. 130500.