Inicialmente, a texturização foi pouco estudada por consistir em um processo complicado, com técnicas de difícil repetibilidade. Entretanto, na última década, a popularização de técnicas de texturização como, por exemplo, pelo uso de laser, tornou a pesquisa nesta área mais atraente. A literatura indica que o laser de pulso ultracurto é uma grande tendência para a realização de texturização em ferramentas, devido à sua alta repetibilidade, sem danificar a superfície texturizada⁽⁸⁾. Nos últimos anos, pesquisadores buscaram compilar os estudos dos efeitos da texturização^{(2, 4, 6, 10)}. No que tange a esses trabalhos, há uma clara convergência das conclusões, mas há também parâmetros cujos resultados divergem drasticamente. Por exemplo, é mencionado que grooves lineares são mais eficientes tribologicamente para a direção paralela à aresta de corte⁽³⁾, ao passo que são apresentados resultados que indicam que tal direção aumenta o atrito no corte, piorando a usinagem⁽⁷⁾. Uma das possíveis causas de resultados tão diversos consiste na grande diferença entre as propriedades dos materiais estudados em cada trabalho. No primeiro os autores estudaram aço carbono, enquanto no segundo o material estudado foi o Ti6Al4V, cujas respectivas propriedades mecânicas muito se diferem (destacando a dureza, resistência e densidade). Outros trabalhos compilaram conclusões sem considerar os materiais usinados, prevalecendo apenas os resultados concordantes obtidos em maior número⁽¹⁰⁾. Logo, os efeitos da usinagem para materiais menos estudados acabam sendo mascarados, como é o caso do alumínio, um material amplamente utilizado nas indústrias, mas que corresponde a apenas 16% dos materiais estudados nos últimos cinco anos no que tange ao efeito da texturização de ferramentas⁽⁶⁾. É importante estudar alguns parâmetros da texturização (direção, profundidade, largura, distanciamento e geometria), porém, eles dependem da combinação de material e ferramenta usinados, e em se tratando de alumínio e PCD (diamante policristalino), não há estudos conclusivos. Devido à alta ductilidade do alumínio, seu cavaco se deforma facilmente, preenchendo toda a textura, e não ocorre a redução da área de contato entre o cavaco e a ferramenta⁽⁹⁾. Assim, é inviável a opção de se trabalhar com texturas rasas na usinagem do alumínio. É preciso encontrar o melhor tipo de textura e expor a sua eficiência em relação a uma ferramenta sem textura.

Neste trabalho, ferramentas de PCD texturizadas foram usadas no torneamento do alumínio 2011- T4, com foco na temperatura de usinagem. Ferramentas sem textura também foram testadas para comparação. Foram variados os parâmetros de dimensões e geometrias das texturas, mas, ao invés de análises focadas apenas nos efeitos causados por elas, foi verificado se tais parâmetros estão também atrelados às propriedades dos materiais aqui estudados. A escolha pela usinagem de alumínio usando ferramentas de PCD baseou-se em conclusões encontradas na literatura⁽¹⁾.

Para este estudo, foi usinado um material duro (Inconel 718), e nesses casos, o desgaste da ferramenta faz a profundidade da textura se reduzir, até que a textura se acabe por completo. Isso inviabiliza o uso de ferramentas texturizadas em operações que requerem maior percurso da ferramenta. A redução do desgaste, em porcentagem, pode ser alta, mas não há muita aplicação se isso ocorre apenas em um percurso pequeno. Assim, ao utilizar um material muito duro como PCD na ferramenta, para tornear um metal de alta usinabilidade como o alumínio, o desgaste torna-se irrelevante e a textura permanece atuante na ferramenta por longos percursos de corte.

 

Metodologia

Foi escolhido o processo de torneamento de barras extrudadas de alumínio 2011-T4, com dureza média de 99 HV 0,05, cuja composição química tem mais de 5% de cobre, aproximadamente 1% de chumbo e bismuto (juntos), e menos de 1% de ferro. Essas barras foram tratadas termicamente e envelhecidas naturalmente. Foram usadas ferramentas de diamante policristalino (PCD), com insertos identifi cados como K83037, fabricados pela Mapal do Brasil, os quais foram produzidos unicamente para este projeto (com dimensões compatíveis com o código ISO: CPMB 120404).

A tabela mostra os parâmetros das condições estudadas. Para evitar interferência da ordem dos resultados, os ensaios foram feitos de forma aleatória. Logo, para verificar o comportamento da variável de resposta (temperatura), foram realizados testes em oito condições distintas, com duas réplicas cada, totalizando 24 ensaios. É importante ressaltar que, além da combinação de ensaios exemplificada na tabela, foram realizados testes com ferramentas sem textura nas mesmas condições de usinagem. Também é importante salientar que a direção das texturas está referenciada em relação à aresta de corte da ferramenta. A profundidade e a largura das texturas são iguais em valores. A profundidade de corte (ap) foi restringida pelas dimensões da placa de PCD da ferramenta de corte. A aresta de corte permitia uma profundidade máxima de 3,6 mm e, para evitar o escoamento do cavaco para fora da área texturizada, definiu-se uma profundidade de corte fixa em 2 mm. Para manter a correlação de proporcionalidade (índice de esbeltez = ap/f) de 10, o avanço (f) ficou fixado em 0,2 mm. O lubrificante sólido escolhido para este trabalho foi pó de bissulfeto de molibdênio (MoS2). As partículas dele têm diâmetro de até 5 mícrons e espessura de aproximadamente 1 nm, e podem facilmente preencher as texturas com as dimensões escolhidas. A aplicação do MoS2 foi realizada primeiramente nas texturas, usando pincel, e na sequência, foi aplicada uma mistura de selante com mais lubrificante. A proporção dessa mistura deve ser a máxima diluição do pó que o selante permitir para a sua saturação, otimizando o efeito desejado. O selante aplicado foi silicone OrbiVed337, com resistência a até 320 ºC. Para a texturização das ferramentas por usinagem a laser foi usado o laser de femtossegundos Ti:safira, modelo Element PRO 400, da Femtolasers Produktions GmbH, bem como um amplifi cador Femtopower Double 10 kHz, também da Femtolasers Produktions GmbH (IPEN).

 

 

Análise de cavacos

Também foram realizados ensaios de dureza nos cavacos e na peça, usando o microdurômetro HMV-2 Shimadzu, com carga de 490 mN (HV 0,05) aplicada por 15 segundos. O indentador consiste em uma pirâmide de base quadrada e ângulo entre faces de 136º. As imagens dos cavacos foram obtidas por microscópio eletrônico de varredura EVO MA10, da Zeiss, que também produziu as imagens das arestas de corte texturizadas.

 

Análise de temperatura

Ao se trabalhar com PCD, é importante estar atento para a temperatura de trabalho, pois esse material pode sofrer grafitização e comprometer sua estrutura, tornando-se frágil. Assim, é necessário prever se a temperatura no torneamento feito com ferramenta com arestas texturizadas vai se estabilizar em uma faixa ideal para o PCD. Apesar de a grafitização se iniciar por volta de 780-800 ºC, estudos mostraram que por volta de 480 ºC a matéria do PCD pode reagir ao calor recebido (Jaworska et al. 2014).

Os ensaios de torneamento foram feitos em um torno CNC Multiplic 35D (LEPU-UFU) e a aferição da temperatura de corte foi feita com uma termocâmera Flir A325, com taxa de aquisição de 30 Hz e resolução de 320 x 240 pixels. A câmera foi posicionada de forma a não ter contato com o torno, para evitar interferência de vibrações, em uma posição fixa, 755 mm acima da ferramenta. Para melhor resolução, a porta de proteção do torno permaneceu aberta durante os ensaios, e a lente da câmera foi protegida por um vidro de germânio. A montagem pode ser vista na figura 1. O tempo de obtenção de dados foi definido após um pré-teste, que mostrou que a temperatura de corte já havia se estabilizado após cinco segundos de usinagem. Ressalta-se que a temperatura aqui obtida corresponde a uma aproximação da superfície da ferramenta, e não à temperatura da interface cavaco-ferramenta.

 

Figura 1 – Termocâmera filmando de cima uma das barras de alumínio que está sendo usinada no torno da Romi

 

Também é importante pintar a superfície da ferramenta após as texturas já terem sido preparadas, visando proporcionar à ferramenta a emissividade adequada para a aquisição de dados da câmera, que no caso corresponde a 0,95 (Flir, 2015). Pelo ângulo de posicionamento da câmera, os cavacos vão cobrir a região da placa de PCD na ferramenta, não sendo então necessário realizar a sua pintura. A tinta aplicada por spray pode cobrir a região das texturas sem problemas, pois, apesar de a tinta ter resistência a até 600 ºC, o atrito do cavaco vai remover a tinta logo no primeiro contato e não vai interferir em nenhum parâmetro estudado, desde que a tinta permaneça no restante do corpo da ferramenta. A análise da temperatura consistiu na realização de uma média da maior temperatura de cada frame, sempre no mesmo enquadramento para todos os testes, isso após a seleção da região dos últimos cinco segundos de usinagem com a temperatura estabilizada.

 

Resultados e discussões

Os quatro tipos de textura foram produzidos com sucesso na superfície de saída da ferramenta de PCD (figura 2). A aresta de corte usada como referência para o torneamento é a aresta mostrada no lado direito dos quadros da imagem. Um dos resultados mais notórios na utilização das ferramentas texturizadas foi a alteração do formato dos cavacos. As ferramentas sem textura produziram cavacos helicoidais tubulares curtos (figuras 3A e 3E). As ferramentas texturizadas produziram cavacos na forma de arcos soltos (figuras 3B, 3C e 3D), os quais favoreceram a dissipação de calor.

 

Figura 2 – Tipos de texturas produzidas nas placas de PCD das ferramentas de corte. A aresta principal de corte corresponde à aresta ao lado direito de cada placa de PCD na figura. A seta aponta para uma das arestas de corte, e também indica a direção do fluxo dos cavacos. PA e PE identificam as texturas paralelas e perpendiculares à aresta de corte, respectivamente, e 45 e 120 identificam as dimensões da textura, conforme a tabela

 

Figura 3 – Exemplares típicos dos cavacos gerados: A e B são os tamanhos típicos de cavacos de ferramenta sem textura e com textura, respectivamente. Já nas outras imagens, tem-se a superfície dos cavacos gerados por ferramentas de texturas paralelas à aresta de corte (C), de texturas perpendiculares à aresta de corte (D) e sem texturas (E)

 

Os cavacos de alumínio são contínuos ou parcialmente contínuos, típicos de materiais dúcteis, sofrendo influência das condições de corte e da alta taxa de deformação causada pelas texturas. Tal fenômeno promove o encruamento e deixa o cavaco mais duro e quebradiço. Para investigar isso, ensaios de dureza foram realizados nos cavacos. Nos cavacos helicoidais tubulares, produzidos pelas ferramentas lisas, a microdureza média percebida foi de 102 HV 0,05, bem próxima à dureza da peça (99 HV 0,05). Já os cavacos e arcos soltos produzidos pelas ferramentas texturizadas tiveram durezas signifi cativamente maiores, sendo, em média, 119 HV para os cavacos das texturas tipo PA45, 122 HV 0,05 para o tipo PE45 e 131 HV 0,05 para o tipo PE120 (cavaco com maiores deformações), confirmando o significativo encruamento. Devido ao trincamento de todas as arestas de corte do tipo PA120, os cavacos não apresentaram nenhum padrão e não puderam ser analisados.

A figura 4 proporciona a comparação de um torneamento feito com ferramenta com textura tipo PE45, à esquerda, com o realizado com ferramenta lisa, à direita, ambos para vc = 400 m/min. O cavaco helicoidal tubular permanece em contato por mais tempo com a interface do corte, transmitindo calor para a barra. No caso da ferramenta texturizada, os cavacos na forma de arcos soltos ejetam-se com maior frequência da interface de corte, ajudando a dissipar o calor gerado. Foi percebida uma maior intensidade do campo térmico na barra torneada com ferramentas sem textura. É importante ressaltar que na figura 4, com a finalidade de desprezar o calor presente nos cavacos espalhados sob a peça, enquadraram-se apenas as regiões de interesse para a realização da análise de temperatura. Também é importante ressaltar que não houve formação de rebarba nos ensaios aqui considerados (apenas nos casos com quebra de aresta de corte). Os gráficos da figura 5 mostram a média das máximas temperaturas da superfície da ferramenta em cada frame obtido com a termocâmera durante a usinagem. Não foram inseridas barras de erro nos gráficos, pois nas arestas em que formaram-se trincas o erro foi exagerado, ao passo que nas demais não ultrapassou 5%.

 

Figura 4 – Comparação térmica entre a presença (esquerda) e ausência (direita) de textura na ferramenta de corte durante o torneamento com vc = 400 m/min. A ferramenta sem textura está, em média, com temperatura 16 º C acima da temperatura da texturizada, mas a maior diferença entre estes testes está no calor passado para a barra quando a ferramenta não possui textura. Tal efeito está relacionado ao maior tempo do cisalhamento do cavaco nesta condição

Figura 5 – Média das máximas temperaturas da superfície da ferramenta de corte. Os valores de temperatura em vermelho correspondem às arestas em que houve quebra da textura (e maior barra de erro)

 

A presença de textura favoreceu a redução de temperatura em todos os casos em que não houve quebra da textura próxima à aresta de corte (textura tipo PA120) em ambas as velocidades (e textura tipo PA45 para vc = 400 m/min). A maior redução foi para a textura tipo PE45 com lubrificante (vc = 400 m/min), que reduziu a temperatura em mais de 9% em comparação com a ferramenta sem textura. Tal valor corrobora o que é mostrado em outro trabalho(11), em que foi realizado torneamento com ferramentas texturizadas preenchidas com MoS2, e obtidos valores de redução de temperatura de 7 a 21%. Também há trabalhos em que foi feito o torneamento de alumínio e constatada a redução de temperatura de pouco mais de 3% para ferramentas texturizadas(5), um valor menor, mas que condiz com o tipo de textura testada: dimples (neste caso, a redução de área de contato é menor do que em texturas do tipo grooves).

A direção que favoreceu a usinagem foi a com texturas perpendiculares à aresta de corte (paralelas ao fluxo de cavacos), principalmente com a deposição de lubrificante MoS2. Os parâmetros mais influentes na temperatura de usinagem (com índice de confiança de 95%) foram direção, condição de lubrificação e a velocidade de corte (este último se mostrou o parâmetro mais influente entre os estudados). As dimensões das texturas não apresentaram influência significante para o planejamento fatorial estudado.

 

Conclusão

Na usinagem de materiais dúcteis, como o alumínio, as texturas paralelas à aresta de corte pioram os resultados, pois o ancoramento do material é muito forte e pode levar à formação de trincas na aresta de corte. A direção das texturas ideal para esse tipo de material é sem dúvida a perpendicular à aresta de corte (paralela ao fluxo de cavacos). Os cavacos produzidos na usinagem do alumínio se deformam excessivamente na presença de texturas na ferramenta de corte, causando o seu endurecimento e, consequentemente, a sua fragilização. Quanto maiores forem as texturas, maior será o endurecimento. Os cavacos produzidos pelo uso de ferramentas sem texturas apresentaram formato helicoidal tubular curto, passando a ter formato de arcos soltos ao serem usadas ferramentas texturizadas. A maior redução de temperatura em comparação à ferramenta sem textura foi de 9% para a textura do tipo perpendicular com dimensão de 45 mícrons, com lubrificante MoS2.

 

Agradecimentos 

Os autores agradecem ao Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem (LEPU-UFU), ao Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) e à Mapal pelo apoio concedido.

 

Responsabilidade pelas informações

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

 

Referências

1] Alagan, N.T. et al., 2019. “Investigation of micro-textured cutting tools used for face turning of alloy 718 with high pressure cooling”, Journal of Manufacturing Processes, v. 37, p. 606-616. 

2] Arslan, A. et al., 2016. “Surface texture manufacturing techniques and tribological effect of surface texturing on cutting tool performance: a review”, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, v. 41, n. 6, p. 447-481.

3] Dhage, S., Jayal, A. D. e Sarkar, P., 2019. “Effects of surface texture parameters of cutting tools on friction conditions at tool-chip interface during dry machining of AISI 1045 steel”, Procedia Manufacturing, v. 33, p. 794-801. 

4] Gajrani, K. K. e Sankar, M. R., 2017. “State of the art on micro to nano textured cutting tools”, Materials Today: Proceedings, v. 4, n. 2, p. 3776- 3785. 

5] Jesudass T. S. e Kalaichelvan, K., 2018. “Comparative study of the effect of surface texturing on cutting tool in dry cutting”, Materials and Manufacturing Processes, v. 33, n. 6, p. 683-694. 

6] Machado, A. R. et al., 2021. “State of the art of tool texturing in machining”, Journal of Materials Processing Technology, p. 117096. 

7] Mishra, S. K., Ghosh, S. e Aravindan, S., 2019. “Performance of laser processed carbide tools for machining of Ti6Al4V alloys: a combined study on experimental and fi nite element analysis”, Precision Engineering, v. 56, p. 370-385. 

8] Samad, R. E. et al., 2012. “Ultrashort laser pulses machining”, Laser PulsesTheory, Technology, and Applications, p. 143-174. 

9] Sasi, R., Subbu, S. K. e Palani, I. A., 2017. “Performance of laser surface textured high speed steel cutting tool in machining of Al7075-T6 aerospace alloy”, Surface and Coatings Technology, v. 313, p. 337-346.

10] Sharma, V. e Pandey, P. M., 2016. “Recent advances in turning with textured cutting tools: a review”, Journal of Cleaner Production, v. 137, p. 701-715. 11] Sun, J. et al., 2016. “Effect of hybrid texture combining micro-pits and micro-grooves on cutting performance of WC/Co based tools”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 86, n. 9, p. 3383-3394.