Em função de suas propriedades características, tais como resitência mecânica extremamente alta, forte tendência ao encruamento e baixa condutividade térmica, a furação profunda de ligas à base de níquel, como o Inconel 718, constitui uma tarefa particularmente complexa. Sua excelente tenacidade representa um desafio adicional para a furação profunda com relação tanto à formação dos cavacos quanto à sua retirada. A situação é ainda pior na furação profunda de diâmetros pequenos, em função da limitada rigidez mecânica da ferramenta e da relação desfavorável entre a espessura dos cavacos obtidos e o arredondamento da aresta de corte da broca^[1,2].

Devido a esses problemas, o uso de mecanismos alternativos e isentos de desgaste para remoção de material é amplamente disseminado para a execução de furos de pequenos diâmetros em materiais com resistência mecânica ultra elevada, como a usinagem eletroquímica e térmica (furação a laser)^[4]. Contudo, entre as significativas desvantagens desses processos, pode-se mencionar a influência que eles exercem sobre as zonas periféricas da parede do furo, cujas características devem ser especialmente controladas no caso de componentes destinados à indústria aeroespacial^[3].

Investigações experimentais efetuadas no Instituto para Fabricação por Usinagem da Universidade Técnica de Dortmund (ISF) mostraram que é possível enfrentar os desafios associados à usinagem mecânica de ligas de níquel com processos adequadamente configurados. Estes devem permitir a execução de furos de pequenos diâmetros que apresentem elevada relação comprimento/diâmetro, de forma segura e produtiva.

Foram analisados furos profundos helicoidais executados com brocas helicoidais apresentando diâmetro d igual a 1,3 mm e relação de comprimento/diâmetro (lt/d) igual a 30. A broca helicoidal de carbeto sólido revestido utilizada neste trabalho tinha ponta modificada com quatro arestas e chanfro negativo para estabilização das arestas de corte.

Para se garantir um bom apoio à ferramenta, ela é guarnecida com dois chanfros-guia para cada aresta de corte. Os ensaios de furação foram executados em uma máquina para furação profunda convencional modelo ML-200, fabricada pela firma TBT, usando óleo mineral com baixa viscosidade (10 mm2/s), a uma pressão constante do fluido refrigerante (p_kss) igual a 140 bar. A figura 1 mostra a configuração xperimental na máquina onde os testes foram efetuados.

Figura 1 – Aparato experimental
 

Os ensaios de furação profunda foram realizados em corpos de prova feitos com liga Inconel 718. Em uma primeira etapa, essas experiências foram feitas usando-se brocas-piloto curtas (lp igual a 4 mm) e refrigeradas internamente. O início da penetração da broca ocorreu a baixas velocidades de rotação (n igual a 300 rpm). Assim que a broca atingia a profundidade lt igual a 3,5 mm; o eixo-árvore era acelerado até a velocidade nominal de rotação, sendo então executado o furo com profundidade total lt igual a 39 mm.

 

Sem a dispendiosa remoção de cavacos

Na etapa experimental seguinte foi verificada a necessidade de se executar ciclos de remoção de cavacos durante a furação profunda. Para tanto foram sucessivamente elevados os valores programados de profundidade de penetração em que os ciclos de remoção de cavacos eram efetuados (z igual a 0,5 mm; 1 mm; 2 mm; 4 mm; 8 mm e 35 mm). A furação efetuada nesta etapa foi feita a velocidade de corte (v_c) igual a 15 m/min e avanço (f) igual a 5 μm.

Não foram constatadas diferenças significativas em relação à forma dos cavacos em função da variação da profundidade de furação (figura 2). Mesmo no caso da furação profunda com vanço constante, sem os ciclos de remoção de cavacos, foi constatada a presença de cavacos curtos e descontínuos, os quais permitiram a execução confi ável da furação profunda até uma profundidade total lt igual a 39 mm. Além disso, não foram notadas solicitações térmicas críticas decorrentes do aumento de temperatura causado pelo processo de furação profunda. Portanto, para os parâmetros selecionados de processo nesta série preliminar de ensaios, a furação profunda da liga Inconel 718 não incorporou tempos ociosos associados à quebra dos cavacos.

Figura 2 – Formação de cavacos em função da profundidade de penetração
para velocidade de corte vc igual a 15 m/min e avanço f igual a 5 μm
 

A seguir foram determinados outros dados otimizados de corte, variando-se as velocidades de corte e de avanço na faixa de vc entre 10 a 20 m/min e f entre 5 e 15 μm, respectivamente. Os ensaios foram feitos para um comprimento de furação (lf ) igual a 770 mm, o que correspondeu à produção de 20 furos.

 

Forma favorável do cavaco é indispensável

Foi demonstrado que a obtenção de cavacos curtos constitui um requisito indispensável para uma furação profunda confiável de Inconel 718 de diâmetros pequenos (figura 3). O surgimento de cavacos dúcteis e longos faz com que eles sejam prensados já ao se atingir curtas profundidades de furação, com a ocorrência imediata de danos à broca.

Figura 3 – Formas resultantes de cavacos com a variação dos parâmetros de corte
 

Por meio do emprego de um baixo valor de avanço f (5 μm), independentemente da velocidade de corte adotada, bem como da combinação de avanço médio f igual a 10 μm e velocidade de corte vc igual a 20 m/min, ocorreu a formação de cavacos descontínuos favoráveis ao processo, permitindo que fosse alcançado o comprimento de corte (l f) de 770 mm. Também a combinação da velocidade de corte vc de 10 m/min e avanço f de 15 μm apresentou comportamento favorável à formação do cavaco.

Além da questão sobre a formação do cavaco, também foi feita uma análise detalhada sobre a evolução do desgaste, bem como das solicitações mecânicas que ocorreram ao longo de todo o comprimento de furação. Os resultados aqui apresentados se concentraram na furação com velocidade de corte v c igual a 20 m/ min e avanço f igual a 10 μm, os quais promoveram tanto formação favorável do cavaco como níveis máximos de produtividade.

 

Desgaste abrasivo elevou solicitações mecânicas

O aumento aferido nas solicitações mecânicas sobre a ferramenta coincidiu com os resultados da análise da evolução do desgaste das arestas de corte. As forças de avanço apresentaram comportamento menos acentuado ao longo do comprimento de furação. Ao se alcançar o comprimento de furação lf igual a 770 mm, constatou-se uma força de avanço 107% superior em comparação com a medida no início da furação. Além disso, foi constatado um significativo aumento no torque de furação.

A maior fração de carbetos e fases duras na microestrutura da liga à base de níquel promoveu elevado desgaste abrasivo na broca, levando igualmente a um aumento no arredondamento das arestas de corte, bem como na largura das marcas de desgaste sobre a superfície de saída (figura 4). Em função do desgaste crescente nas arestas de corte, ocorreu uma evolução cada vez mais desfavorável da relação entre o arredondamento das arestas de corte relacionado à espessura do cavaco obtido, bem como um ângulo de corte cada vez mais negativo. Estas condições alteradas de ataque resultaram numa intensificação dos processos de compressão e atrito na aresta de corte e, dessa forma, elevaram significativamente as solicitações mecânicas sobre a broca.

Figura 4 – Evolução do espectro de solicitações mecânicas e do desgaste na broca
para uma velocidade de corte vc igual a 20 m/min e para avanço f igual a 10 μm
 

 

Parâmetros de qualidade da furação

Além dos ensaios práticos também foi estudada a qualidade superficial dos furos profundos executados, usando-se um dispositivo estacionário para medição de rugosidade. Os parâmetros de rugosidade aqui considerados, ou seja, distância máxima medida entre pico e vale (R z igual a 1,8 μm) e a média aritmética da rugosidade (Ra igual a 0,3 μm) indicaram que os furos apresentaram boa qualidade superficial.

Em análises posteriores foram caracterizadas as tolerâncias dimensionais e de forma, usando-se máquina para medição de coordenadas (figura 5). Do ponto de vista do diâmetro do furo foi medido um desvio máximo ∆D igual a 4,1 μm em relação do diâmetro nominal, ou seja, um nível de qualidade dentro da tolerância IT 6 definida pela ISO.

Figura 5 – Qualidade resultante no furo para uma velocidade
de corte vc igual a 20 m/min e avanço f igual a 10 μm
 

O desvio de circularidade do furo T K situou-se em torno de um valor médio 2,5 μm, apresentando igualmente apenas uma leve dispersão ao longo de todo o comprimento de furação. Não se constatou influência do desgaste da broca sobre o diâmetro do furo e sobre o desvio de circularidade. Por outro lado, foram constatadas oscilações significativamente intensas no desvio do eixo real do furo em relação ao ideal. O valor médio do desvio do eixo ∆r foi igual a 0,045 mm. A microestrutura não homogênea da liga Inconel 718 à base de níquel favoreceu a alta dispersão associada aos valores medidos.

 

Conclusão

Os resultados obtidos a partir dos testes de furação profunda de furos pequenos com broca helicoidal em Inconel 718 comprovaram que é possível obter um método confiável e simultaneamente produtivo de usinagem, mesmo no caso do processamento de ligas à base de níquel com alta resistência mecânica e baixa usinabilidade, desde que seja adotado um processo adequadamente configurado. A furação profunda com broca helicoidal em Inconel 718 não requer tempos ociosos associados aos ciclos para remoção de cavacos, podendo ser executada sob avanço constante.

A seleção dos parâmetros de corte exerce influência decisiva sobre a formação resultante do cavaco e, dessa forma, também sobre a viabilidade geral do processo de furação. O desgaste da aresta de corte tem comportamento decrescente ao longo do processo, o que provoca uma elevação progressiva das solicitações mecânicas ao longo do comprimento de furação, mas não exerce efeito negativo sobre a qualidade do corte.

As análises da qualidade superficial do furo, bem como de suas tolerâncias dimensionais e de forma, mostraram que, além da produtividade extraordinária, também se pode executar furos com alta qualidade ao se utilizar a furação profunda de pequenos diâmetros.

Estudos posteriores terão como foco comparações entre os processos de furação usando broca helicoidal ou com uma única aresta de corte. Com isso, deverá ser comprovado se o uso deste último tipo de broca possibilitará uma otimização adicional da qualidade do furo, particularmente em termos de qualidade superficial e desvio de eixo resultantes.

 

Referências

1. Biermann, D.; Kirschner, M.; Eberhardt, D.: A novel method for chip formation analyses in deep hole drilling with small diameters. Production Engineering - Research and Development, 8 4, p. 491-497, 2014.
2. Dornfeld, D.; Min, S.; Takeuchi, Y.: Recent advances in mechanical micromachining. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 55 2, p. 747- 768, 2006.
3. Eckstein, M.: Überwachung und regelung des tieflochbohrens an höchstbelasteten bauelementen der fluggasturbine. Präzisions-und Tiefbohren aktuell: Technik-Tools-Trends (VDI-Berichte 2054), p. 35-46, 2008.
4. Ehninger, C.; Oßwald, K.; Fleischer, L.; Schlipf, M.: Mikrobohrverfahren für den industriellen einsatz. wt Werkstattstechnik online, Jahrgang 98 H. 6, p. 515-519, 2008.