Segundo Ezugwu e Wang[2], o progresso na usinagem de ligas de titânio não avançou como em outros materiais, devido a sua resistência mecânica  a altas temperaturas, baixa condutividade térmica, baixo módulo de elasticidade e alta reatividade química, que levam a elevada temperatura de corte e vibração. Assim, o sucesso na usinagem das ligas de titânio depende em grande parte da superação dos principais problemas associados às propriedades inerentes destes materiais.

As ligas de titânio possuem alto valor e grande aplicabilidade industrial, sendo comumente utilizadas na fabricação de peças com alta confiabilidade, cujas propriedades devem ser mantidas em regimes de trabalho a altas temperaturas [2].

A temperatura de usinagem é um parâmetro muito importante e representa uma quantificação da energia mecânica, devido às deformações plásticas e ao atrito entre a peça e a ferramenta, dissipado durante o processo na forma de calor. Na usinagem do titânio, as altas temperaturas resultam em um alto desgaste de ferramenta.

Uma grande porcentagem (cerca de 80%) do calor gerado na usinagem da liga de titânio Ti- 6AI-4V é conduzida para a ferramenta, pois não pode ser removida com o cavaco ou dissipada para a peça devido à baixa condutividade térmica do material. Esta característica torna praticamente inviável sua usinagem a seco [4].

Os fluidos lubrificantes/refrigerantes introduzem uma série de melhorias funcionais no processo de usinagem de metais. As melhorias de caráter funcional são aquelas que facilitam o processo de usinagem, conferindo a este um melhor desempenho, com redução do coeficiente de atrito entre a ferramenta e o cavaco, expulsão do cavaco da região de corte, refrigeração da ferramenta, refrigeração da peça em usinagem, melhor acabamento da peça usinada e refrigeração da máquina-ferramenta. Para a obtenção destas melhorias, diversas formas de aplicação e tipos de fluidos de corte são utilizados. Entre os meios auxiliares, os principais métodos de aplicação são fluido em abundância (emulsão); atualmente, o de mínima quantidade de lubrificação (MQL); e a usinagem a seco [4].

A técnica de MQL é uma alternativa vantajosa para indústria moderna. Ela consiste na utilização de uma pequena quantidade de fluido lubrificante pulverizada sobre a peça, o que reduz significativamente o seu consumo. O princípio básico de funcionamento do sistema MQL é o arrastamento de uma pequena quantidade de lubrificante por uma corrente de ar comprimido que é dirigido sobre a região de corte (direcionado à aresta de corte da ferramenta).

Esse arrastamento provoca a atomização do lubrificante, fazendo com que a sua distribuição na zona de corte seja uniforme.

Alguns pesquisadores também utilizaram o grafite e o bissulfeto de molibdênio como lubrificantes sólidos. O papel efetivo dos lubrificantes sólidos foi evidente a partir da melhoria global do processo. Alguns trabalhos analisaram diferentes parâmetros do processo como forças de corte, temperatura, energia específica e rugosidade superficial. Eles foram observados e relatados como inferiores quando comparados com os resultados da usinagem com refrigeração convencional [3-8].

Segundo Tabak et al [7], a adição dos lubrificantes sólidos ao fluido lubrificante mostrou uma melhora significativa na capacidade de lubrificação/refrigeração do sistema, que pode ser relacionada à melhor lubrificação da interface, permitindo que o material da peça cisalhe e deslize. Isso reduz as deformações plásticas na superfície de saída e, consequentemente, libera menos energia plástica na forma de calor.

O lubrificante sólido mais eficaz foi o MoS2, seguido pelo

Figura 1 – Gráficos de rugosidade média (Ra). O valor máximo do desvio padrão amostral foi de 0,02 μm. Para melhor visualização, as barras de desvio foram suprimidas dos gráficos (a), (b), (c), (d) e (e).

GR625 e GR325. Provavelmente, a menor granulometria do MoS2 propicia uma penetração mais efetiva junto à interface cavaco-ferramenta. A redução da temperatura de usinagem corrobora com resultados obtidos por outros pesquisadores [4,5], que estudaram o efeito do MoS2 como lubrificante sólido.

Isso mostra que há uma redução significativa dos valores de rugosidade quando comparados com os da usinagem a seco e com fluido de corte.

Este trabalho faz parte da atual linha de pesquisa do Laboratório de Fabricação Mecânica/LFM da UFG-Regional Catalão em parceria com a UFU/Lepu. A presente pesquisa concentra-se na usinagem com lubrificação sólida, buscando contribuir para uma usinagem sustentável e ecológica de materiais avançados de engenharia. Esta pesquisa passa a ser uma alternativa a tradicionais técnicas de usinagem.

Procedimentos experimentais

Os ensaios foram conduzidos nas dependências do Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem da Faculdade de Engenharia Mecânica (LEPU/FEMEC/UFU). Foi utilizado um torno CNC Romi Multiplic35D, com rotação máxima de 3.000 rpm. O corpo de prova de titânio ASTM F136 grau 5, conhecido como liga ti-6Al-4V, possuía a dimensão de 200 mm de diâmetro x 300 mm. Foi utilizado fluido de corte sintético (Quimatic Super Fluido 3) aplicado pelo sistema MQL da Accu-Lube, com pressão de 3 bar e vazão de 5 mL/min. As ferramentas utilizadas possuem o código SNMG120408-SM, metal duro da classe 1105, são revestidas com TiAlN (PVD) e são produzidas pela Sandvik.

Os testes foram realizados a seco e com MQL, apenas com fluido de corte e com solução contendo fluido de corte e lubrificantes sólidos. As soluções utilizadas continham fluido de corte e lubrificante sólido com 20% em peso. Foram utilizados grafite malha 625 (granulometria média de 20 μm); grafite malha 325 (40 μm); e bissulfeto de molibdênio (MoS2, 6 μm). Os parâmetros de corte são apresentados na tabela 1.

A rugosidade média aritmética (Ra) foi medida com auxílio de um rugosímetro Mitutoyo, modelo SJ-201 com cut-off de 0,8 mm x 5 leituras. O comprimento de amostragem é definido pela norma ISO 4287 [1]. Foram realizadas seis medições para cada condição de corte, com temperatura média de 28oC, ao longo do comprimento usinado na direção de avanço da ferra- menta. Todos os testes foram realizados com uma aresta nova da ferramenta de corte.

Resultados e discussão

A qualidade do acabamento superficial e dimensional é requisito básico para a produção das mais variadas peças. Durante a usinagem das ligas de titânio, um fator limitante é a formação excessiva de calor na aresta de corte. Ele pode causar danos térmicos à ferramenta, contribuindo para um resultado indesejado de acabamento superficial. Assim, para diminuir a formação de calor, utilizam-se fluidos a fim de refrigerar e lubrificar a zona de corte.

O uso de fluidos de corte pode causar danos ambientais e prejuízos à saúde de operadores. Assim, seu uso deve ser diminuído e otimizado, buscando manter os padrões de qualidade de produção, o bem-estar de operadores e evitando-se danos ao meio ambiente.

Seguindo esta nova tendência mundial, a utilização dos eco-lubrificantes vem ganhando força e esta pesquisa tem como foco a utilização desta classe de produtos associados à técnica de MQL.

A figura 1 (pág. 17) mostra a evolução dos valores de rugosidade média (Ra) com a variação dos parâmetros de corte (vc, ap e f). Podemos notar que a rugosidade média (Ra) tende a aumentar com o aumento do avanço e diminuir com o aumento da velocidade de corte.

Para as condições a seco, nota-se um comportamento distinto da curva de rugosidade, o que pode ser explicado pela presença da aresta postiça de corte. A formação da aresta postiça é proporcionada devido à alta taxa de encruamento da liga Ti-6Al-4V, o que pode ter ocorrido para os valores de rugosidade com velocidade intermediária (50 m/min).

A profundidade de corte tem pouca influência sobre a qualidade superficial para os valores utilizados neste trabalho, como pode ser visto na figura 1f.

Quando comparamos os valores de Ra obtidos com a usinagem a seco e com MQL, podemos notar que os valores de rugosidade diminuem significativamente, o que é resultado da diminuição do gradiente de temperatura da ferramenta de corte.

A adição dos lubrificantes sólidos ao fluido lubrificante mostrou uma melhora significativa na capacidade de lubrificação/refrigeração do sistema, o que pode ser relacionado à melhor lubrificação da interface.

Ela permite que o material da peça cisalhe e deslize reduzindo, assim, as deformações plásticas na superfície de saída e, consequentemente, liberando menos energia plástica na forma de calor.

O lubrificante sólido mais eficaz foi o MoS2, seguido pelo GR625 e pelo GR325. Provavelmente, a menor granulometria do MoS2 propicia uma penetração mais efetiva junto a interface cavaco-ferramenta.

O mesmo ocorre em relação aos dois tipos de grafite utilizados, o GR625 foi superior ao GR325.

Tanto o grafite quanto o MoS2 não possuem um histórico clínico patogênico, ou seja, são lubrificantes relativamente livres de perigos inerentes ao uso para o operador. Combinados com o uso da técnica MQL, eles podem contribuir para uma usinagem sustentável e ecológica para materiais avançados de engenharia.

Os lubrificantes sólidos não têm custo proibitivo e os resultados demonstram claramente a viabilidade econômica do seu uso na usinagem de ligas de baixa usinabilidade, como no caso da liga Ti-6Al-4V.

Conclusão

A adição dos lubrificantes sólidos mostrou um efeito positivo no acabamento superficial durante a usinagem da liga ti-6Al-4V, diminuindo significativamente os valores de rugosidade quando comparados com a usinagem com fluido de corte. A melhor performance dentre os lubrificantes sólidos foi a do MoS2, seguido pelo GR625 e GR325.

Referências

1] ABNT NBR 4287: Rugosidade: Metódo do perfil - Termos, definições e parâmetros da rugosidade, 2002.

2] Ezugwu, E. O.; Wang, Z. M.: Titanium alloys and their machinability a review. Journal of Materials Processing Technology, 1997.

3] Krishna, P. V.; Rao, D. N.: Performance evaluation of solid lubricants in terms of machining parameters in turning. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 48, p. 1.131-1.137, 2008.

4] Moura, R. R.; Silva, M. B.: Efeito do lubrificante sólido (MoS2) na rugosidade da liga Ti-6Al-4V no torneamento. VIII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 8o Conem, Uberlândia: ABCM, v. CD-ROM, 2014.

5] Reddy, N. S. K.; Rao, P. V.: Experimental investigation to study the effect of solid lubricants on cutting forces and surface quality in end milling. International Journal of Machine Tools and Manufacture 46, p. 189-198, 2006.

6] Shaji, S.; Radhakrishnan, V.: An investigation of a solid lubricant moulded grinding wheels. International Journal of Machine Tools and Manufacture 43, p. 965–972, 2003.

7] Tabak, D.; Moura, R. R.; Silva, M. B.: Temperatura de usinagem no torneamento da liga Ti-6Al-4V com o uso de lubrificantes sólidos.

8] Venugopal, A.; Rao, P. V.: Performance improvement of grinding of SiC using graphite as a solid lubricant. Materials and Manufacturing Processes 19 (2), p. 177-186, 2004.


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