No cenário atual de sustentabilidade, a eficiência energética emergiu como um dos temas de pesquisa mais relevantes no meio industrial. De acordo com a literatura ⁽¹²⁾, aproximadamente 30% dos recursos energéticos ao redor do mundo são consumidos para vencer o atrito entre componentes mecânicos. Só no ano de 2018, as perdas devidas a esse fenômeno representaram entre 2 e 7% do PIB no mundo todo. Ainda de acordo com a literatura ⁽¹⁰⁾, aproximadamente 23% da energia produzida no mundo são usados para suprir contatos tribológicos deficientes, sendo 20% usados para superar o atrito e 3% para a recuperação de peças desgastadas. Logo, pesquisas que englobam o desenvolvimento de novos materiais com propriedades otimizadas ganham cada vez mais importância nesse cenário.

Os compósitos autolubrificantes sinterizados se apresentam como uma boa solução para aplicações de alta pressão e temperatura, onde a lubrificação líquida não apresenta bom desempenho ⁽⁹⁾. Esses materiais são fabricados pelo processo de metalurgia do pó e apresentam duas fases quimicamente diferentes, sendo uma matriz metálica ferrosa, com adição de elementos de liga, e partículas de lubrificantes sólidos dispersos em seu volume. Os lubrificantes sólidos são materiais com baixo coeficiente de atrito e baixa compressão molecular, capazes de criar camadas devido à facilidade em serem cisalhados, impedindo assim o contato entre superfícies em movimento relativo ⁽⁵⁾. Neste contexto, Hammes (2010) e Binder ⁽¹⁾ desenvolveram compósitos autolubrificantes de matriz metálica com elevada resistência mecânica e baixo coeficiente de atrito pelo processo de metalurgia do pó. Com o objetivo de melhorar a qualidade da superfície dos compósitos autolubrificantes, a usinagem é usada como processo de acabamento após a etapa de sinterização do material. Assim, o torneamento é uma excelente alternativa devido à sua ampla aplicação na indústria e sua capacidade de atingir especificações dimensionais mais rigorosas. Os estudos sobre a influência do torneamento sobre o material são de extrema importância no desenvolvimento dos processos produtivos desses componentes.

A descontinuidade da matriz dos compósitos autolubrificantes, em combinação com suas propriedades mecânicas, apresenta influência durante a usinagem, interferindo na qualidade da superfície usinada. Os materiais sinterizados apresentam baixa condutividade térmica, em decorrência da alta porosidade inerente ao processo, o que resulta no aumento da temperatura na região de corte durante a usinagem (16). A porosidade presente nos materiais sinterizados faz com que ocorra uma diminuição das forças durante a usinagem, que influencia também a formação do cavaco durante o processo ^(8,13,15).

Em um estudo na literatura ⁽⁴⁾ foi avaliado o efeito da variação da velocidade de corte no comportamento das componentes da força de usinagem no torneamento de compósitos autolubrificantes sinterizados. Os ensaios foram realizados variando a velocidade de corte (vc = 100 e 200 m/min), o avanço (f = 0,1 e 0,2 mm) e a profundidade de corte (ap = 0,5 e 1 mm), bem como a rota de fabricação dos materiais de simples compactação (SP) e dupla compactação (DP). Independentemente da rota de fabricação, pode-se observar que o aumento da velocidade de corte resultou em uma redução dos valores da força de corte em cerca de 10%, para ambas as profundidades de corte e avanço testados. Comportamento similar foi observado para a força passiva, apresentando uma redução de aproximadamente 25%.

Na literatura ⁽³⁾, em um estudo foi analisada a influência do aumento da velocidade de corte nas componentes de força de usinagem durante o torneamento longitudinal externo de compósitos autolubrificantes sinterizados. Os resultados mostraram que o aumento da velocidade de corte, de 350 para 850 m/min, influenciou diretamente a componente de força de corte, apresentando uma diminuição de 9% com esse aumento. As componentes das forças passiva e de avanço não apresentaram diferença estatística. Porém, houve uma tendência à diminuição com uma mudança de 7% e 5%, respectivamente. Os fenômenos associados a esse comportamento podem estar mais relacionados à diminuição das propriedades mecânicas do material pelo aquecimento da superfície quando aumentada a velocidade de corte e pela rápida deformação e saída dos cavacos da zona de corte. Neste viés, o presente trabalho apresenta uma análise da variação da macro e microgeometria da ferramenta e da velocidade de corte nas componentes de força de usinagem no torneamento longitudinal externo de um compósito autolubrificante sinterizado.

 

Materiais e métodos

Para a produção dos compósitos via compactação de pós, os materiais usados apresentaram como matéria- -prima da matriz ferrosa o pó de ferro puro (Höganäs, AHC 100.29, d50 = 100 μm). O aumento da resistência da matriz foi feito pela adição de elementos de liga, como carbono e níquel. O nitreto de boro hexagonal (hBN Momentive, AC6028, d50 = 125 μm) foi adicionado à liga, juntamente com o grafite (Nacional Grafite, Micrograph 99545HP, d50 = 32 μm), para promover a lubrificação a seco. Porém, se faz necessário o uso do silício (Osprey Sandvik, alloy Fe45Si, d50=10 μm) como elemento de liga para a estabilização do ferro alfa e endurecimento da matriz. A liga foi fabricada com a composição química mostrada na tabela 1. A liga apresentou o balanço de ferro 0,8% em massa de carbono e 0,5% em massa de Fe4Si juntamente com 1% e 6,5% em volume de nitreto de boro hexagonal (d50 = 125 μm), e grafite (d50 = 32 μm), respectivamente.

 

Um misturador tipo Y foi usado para misturar os pós por 45 minutos, com rotação de 35 rpm. Em seguida, os pós foram prensados em prensa hidráulica de dupla ação. Os materiais foram produzidos por simples compactação (SC) de 600 MPa. A sinterização dos materiais foi feita em forno tubular em uma atmosfera de 95% de argônio e 5% de hidrogênio com dois patamares de temperatura. No primeiro patamar foi usada uma taxa de aquecimento de 5ºC/min durante 30 minutos, para uma temperatura de 550ºC. No segundo patamar a sinterização final foi isotérmica, com temperatura de 1125ºC durante 60 minutos, com uma taxa de aquecimento de 10ºC/min. A dureza média dos materiais foi de 123 HB. Já a tensão máxima de tração e tensão de escoamento foram de 205 MPa e 197 MPa, respectivamente.

Após a sinterização, os corpos de prova foram submetidos à furação seguida de alargamento, visando produzir um furo longitudinal passante com encaixe de chaveta para posterior montagem do corpo de prova no sistema de fixação da máquina-ferramenta. O corpo de prova foi obtido com formato de disco, com diâmetro de 65 mm e largura de 20 mm, com furo passante de 16 mm (qualidade H7) e rasgo de chaveta. A microestrutura do material foi caracterizada por análise metalográfica, usando microscópio óptico Leica modelo DM4000 M/DFC45. Foi possível observar as diferentes fases presentes no compósito: ferrita, ao redor dos poros, e perlita; além de fases ricas em níquel e cementita, as quais tornam o material heterogêneo e descontínuo (figura 1).

 

Figura 1 – Microestrutura do compósito autolubrificante sinterizado 

 

Processo de torneamento

Os corpos de prova foram submetidos ao torneamento longitudinal externo, realizado em um torno CNC Heiligenstaedt, modelo Heynumat 10, com potência de acionamento do fuso de 70 kW e rotação máxima de 4.500 rpm. O equipamento possui fechamento hidráulico de três castanhas com pressão de 45 bar e comando CNC Siemens 802D. Os materiais foram usinados com insertos de metal duro da classe P20 de geometria triangular com três gumes, código TCMT 16T308-SM IC907, sem revestimento, e com raio de gume (ρ) de 5 μm e 50 μm. Os insertos foram fornecidos pela empresa ISCAR do Brasil, assim como o porta-ferramenta utilizado (código STGCL 2020K-16). As ferramentas foram usadas com ângulo de inclinação e de direção do gume de 0° e 91°, respectivamente, ângulo de incidência de 7º e raio de quina de 0,8 mm. Os ensaios foram realizados a seco, usando ângulos de saída (ɤ) de 6º e 30º, e variando a velocidade de corte (vc) em dois níveis: 350 e 850 m/min. A profundidade de corte (ap) e o avanço (f) mantiveram-se constantes em 1,0 mm e 0,2 mm, respectivamente, (f) de 0,2 mm e profundidade de corte de 1,0 mm. Foram realizadas duas réplicas de cada ensaio.

A medição das componentes de força de usinagem – força de corte (Fc), força de avanço (Ff) e força passiva (Fp) – foi realizada durante todos os testes usando uma plataforma piezelétrica, fabricada pela empresa Kistler Instrument AG, modelo 9257 A, com auxílio de amplificadores, também da marca Kistler, modelo 5011 e 5006, conectados a uma placa de aquisição da National Instruments, modelo NI USB 6218. Os valores das componentes de força de usinagem foram determinados pela diferença entre a média dos sinais obtidos durante o corte e a média dos sinais obtidos em vazio, sendo adotada a medição de força com valores relativos. Além disso, foi usada uma taxa de aquisição de 1 kHz para as três componentes de força de usinagem.

 

Resultados e discussões

Os valores médios das componentes de força de usinagem com seus respectivos intervalos de confiança são mostrados na figura 2, para velocidade de corte de 350 m/min, e na figura 3, para velocidade de corte de 850 m/ min. É possível observar (figura 2) que o aumento do ângulo de saída, de 6º para 30º, proporcionou uma redução em todas as componentes de força de usinagem, independente do raio do gume da ferramenta, para velocidade de corte de 350 m/min. Para o raio de gume de 5 μm, o aumento do ângulo de saída levou a uma diminuição de cerca de 15% para a força de corte, 30% para a força de avanço e 35% para a força passiva. Para o raio de gume de 50 μm, essa diminuição foi de 15% para a força de corte, 25% para a força de avanço e de 5% para a força passiva.

 

Figura 2 – Valores médios das componentes da força de usinagem para velocidade de corte de 350 m/min.

 

A variação do ângulo de saída não apresentou influência significativa para as forças de corte de avanço e passiva nos ensaios com raio do gume de 5 μm (p-valor ~ 0) e de 50 μm (p-valor igual a 0,08, 0,27 e 0,17, respectivamente). De acordo com a literatura ^(2,11,17), com o aumento do ângulo de saída há uma diminuição do fator de recalque, acarretando uma redução das componentes da força de usinagem. Ao fixar o ângulo de saída em 30º, observa-se que o aumento do raio do gume, de 5 μm para 50 μm, implicou em um acréscimo de cerca de 10% para a força de corte, 65% para a força de avanço e de 45% para a força passiva. Para os ensaios com ângulo de saída de 6º, o aumento do raio do gume proporcionou uma redução nas forças de avanço e passiva, de aproximadamente 10% e 5%, respectivamente. Entretanto, as forças de avanço e passiva não demonstraram diferença significativa entre si, apresentando p- -valor de 0,95 e 0,50, respectivamente. Esse comportamento ocorre, pois, à medida que se aumenta o raio de gume, mantendo constante o avanço, há uma diminuição da espessura de usinagem. Como consequência, há uma alteração da interação entre o gume da ferramenta e a peça usinada, acarretando maior dificuldade na remoção de material. De acordo com Wyen e Wegener (2010), o raio de gume possui uma relação direta com o coeficiente de atrito, ou seja, maiores valores de raio de gume geram maiores valores de coeficiente de atrito. Com isso, ocorre o aumento das componentes da força de usinagem. Pode-se observar (figura 3) que o aumento do ângulo de saída, de 6º para 30º, para os ensaios com velocidade de corte de 850 m/min, proporcionou uma redução de todas as componentes de força de usinagem. Para os ensaios com raio de gume de 5 μm, o aumento do ângulo de saída propiciou uma diminuição de aproximadamente 15% para a força de corte, 55% para a força de avanço e de 25% para a força passiva. Apenas a força de corte não apresentou diferença significativa com a variação do ângulo de saída (p-valor igual a 0,07). Para os ensaios com raio de gume de 50 μm, essa redução foi de 20% para a força de corte, 95% para a força de avanço e de 50% para a força passiva, apresentando influência significativa da variação do ângulo de saída nas componentes da força de usinagem, em todas as condições testadas (p-valor < 0,05).

 

Figura 3 – Valores médios das componentes da força de usinagem para velocidade de corte de 850 m/min. 

 

Com o aumento do raio do gume de 5 μm para 50 μm, observa-se um acréscimo no valor de todas as componentes de força de usinagem, para os ensaios com ângulo de saída de 6º. Para os ensaios com ângulo de saída de 30º, nota-se um comportamento oposto, em que o aumento do raio do gume proporcionou uma redução em todas as componentes da força de usinagem. Ao realizar a análise estatística dos dados, tem-se que a variação do raio do gume não apresentou influência significativa em nenhuma das componentes da força de usinagem. Para todas as combinações testadas, o p-valor resultou em valores maiores que 0,05.

Analisando os valores médios das componentes de força de usinagem para as velocidades de corte de 350 m/min (figura 2) e 850 m/min (figura 3), observa-se que o aumento da velocidade de corte proporcionou uma redução dos valores das componentes de força de usinagem, para todas as geometrias de ferramenta de corte testadas. Pela análise estatística pode-se concluir que a velocidade de corte influenciou significativamente o comportamento das componentes de força de usinagem (p-valor < 0,05 em todas as condições e interações), para um nível de confiança de 95%.

A velocidade de corte influencia diretamente a temperatura da região de corte ⁽¹¹⁾. 

O aumento da velocidade de corte resulta em um aumento da temperatura na zona de corte do material e leva à perda de resistência mecânica. Esse mecanismo facilita o corte do material e, consequentemente, reduz as componentes de força de usinagem. Além disso, dois tipos de fenômenos também podem contribuir para a diminuição da força de corte com o aumento da velocidade de corte. O aumento da velocidade de corte leva a um aumento da temperatura na zona de corte, diminuindo a resistência mecânica do material, e podendo proporcionar caldeamento do material cortado na interface cavaco- -ferramenta ⁽¹⁸⁾. Esse efeito é capaz de gerar um filme que reduz o coeficiente de atrito devido à maior facilidade de escoamento pela face da ferramenta, o que contribui para uma maior redução da força de corte.

 

Conclusão

Com os resultados apresentados no presente trabalho, observam-se os efeitos do aumento da velocidade de corte e das alterações da geometria da ferramenta de corte no comportamento das componentes da força de usinagem em materiais compósitos autolubrificantes sinterizados. A variação da velocidade de corte influenciou diretamente as forças de corte, de avanço e passiva, para todas as condições de teste. Quando aumentada a velocidade de corte de 350 para 850 m/min, as componentes de força de usinagem diminuíram em uma média de 25%. Com o aumento da velocidade de corte há um aumento da temperatura na zona de corte, ocorrendo a redução das propriedades mecânicas do material e, assim, maior facilidade para o gume da ferramenta penetrar no material e realizar o corte. Em relação à geometria da ferramenta de corte, observa-se que tanto a variação do ângulo de saída quanto a variação do raio do gume influenciaram o comportamento e os valores das componentes da força de usinagem. Com o aumento do valor do ângulo de saída, observou-se uma diminuição nas componentes de força de usinagem. Esse comportamento pode ser associado à melhora na formação do cavaco devido à diminuição do fator de recalque. Por outro lado, a variação do raio do gume proporcionou um aumento das componentes de força de usinagem. Esse resultado é justificado pela maior dificuldade na remoção de material para valores mais altos de raio de gume, acarretando maiores deformações no material usinado.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem à Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), em especial ao programa de Pós- -Graduação em Engenharia Mecânica (POSMEC), ao Laboratório de Mecânica de Precisão (LMP), da UFSC, e ao Laboratório de Materiais (LABMAT), da UFSC. Os autores também agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e à FUMDES/UNIEDU, bem como às empresas Embraco e Iscar do Brasil pelo financiamento desta pesquisa.

 

Responsabilidade pelas informações

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

 

Referências

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