Análise do mecanismo de formação de cavaco e caracterização de superfície no torneamento de compósitos autolubrificantes sinterizados

Abstract

Estudos mostram que cerca de 23% do consumo total de energia do mundo são originados de contatos tribológicos. Logo, sistemas mecânicos que utilizam materiais com baixo coeficiente de atrito proporcionam melhores desempenhos desses contatos, além de diminuir o consumo de energia e aumentar a durabilidade das peças envolvidas, o que proporciona redução na taxa de descarte. Com o intuito de melhorar o desempenho tribológico das superfícies, foram desenvolvidos materiais autolubrificantes com elevada resistência mecânica e baixo coeficiente de atrito, por meio do processo de metalurgia do pó. Após esse processo, a usinagem pode ser utilizada como um processo de semiacabamento e de acabamento, com a finalidade de adequar as tolerâncias dimensionais e de forma, bem como obter a qualidade desejada da superfície. Dentre todos os processos de usinagem utilizados na indústria, o torneamento é um dos processos de grande destaque, principalmente por ser utilizado na fabricação de componentes de diversas áreas. Contudo, o desenvolvimento de materiais autolubrificantes de matriz metálica é bastante recente, sendo os conhecimentos relacionados à usinagem dos mesmos pouco difundidos. O presente trabalho investigou o mecanismo de formação de cavaco durante o torneamento de um compósito autolubrificante sinterizado e a caracterização da superfície do material após a usinagem. Os corpos de prova foram fabricados pelo processo de metalurgia do pó, apresentando uma matriz metálica composta por pó de ferro com adição de níquel (Ni) e silício (Si). Os corpos de prova foram submetidos ao processo de torneamento longitudinal externo, variando a velocidade de corte em 3 níveis, e a geometria da ferramenta, por meio do ângulo de saída e o raio do gume da ferramenta. A profundidade de corte e o avanço mantiveram-se constantes em 1,0 mm e 0,2 mm, respectivamente. A análise desses fatores foi correlacionada com as componentes da força de usinagem, a formação de cavaco (quantificada pelo Fator de Recalque e Ângulo de Cisalhamento) e a análise de superfícies usinadas. Para corroborar com a investigação da formação do cavaco em compósitos autolubrificantes sinterizados, foi utilizada a metodologia baseada na interrupção súbita do corte e subsequente análise da raiz do cavaco. Para tal finalidade, foi empregado um dispositivo conhecido como quick-stop device (QSD), desenvolvido no Laboratório de Mecânica de Precisão (LMP - UFSC). Os resultados obtidos demonstram a forte influência da velocidade de corte na formação do cavaco, assim como no Fator de Recalque e no Ângulo de Cisalhamento, corroborando a necessidade de um estudo aprofundado sobre o mecanismo de cisalhamento em compósitos sinterizados.

Abstract: Studies show that approximately 23% of the world's total energy consumption originates from tribological contacts. Therefore, mechanical systems that use materials with a low coefficient of friction provide better performance of these contacts, in addition to reducing energy consumption and increasing the durability of the parts involved, thus reducing the disposal rate. In order to improve the tribological performance of surfaces, self-lubricating materials with high mechanical resistance and a low coefficient of friction have been developed through powder metallurgy. After this process, machining can be used as a semi-finishing and finishing process, in order to adjust dimensional and shape tolerances, as well as obtain the desired surface quality. Among all machining processes used in industry, turning is one of the most prominent, mainly because it is used in the manufacture of components in various areas. However, the development of self-lubricating metal matrix materials is quite recent, and knowledge related to their machining is not widely disseminated. This study investigated the chip formation mechanism during the turning of a sintered self-lubricating composite and the characterization of the material's surface after machining. The specimens were manufactured using a powder metallurgy process, featuring a metallic matrix composed of iron powder with the addition of nickel (Ni) and silicon (Si). The specimens were subjected to external longitudinal turning, varying the cutting speed in 3 levels, and the tool geometry, through the rake angle and the tool cutting edge radius. The depth of cut and feed rate remained constant at 1.0 mm and 0.2 mm, respectively. The analysis of these factors correlated with the machining force components, chip formation (quantified by the chip compression ratio and shear angle), and the analysis of machined surfaces. To corroborate the investigation of chip formation in sintered self-lubricating composites, a methodology based on the sudden interruption of cutting and subsequent analysis of the chip root was used. For this purpose, a device known as a quick stop device (QSD), developed at the Precision Mechanics Laboratory (LMP - UFSC), was employed. The results obtained demonstrate the strong influence of cutting speed on chip formation, as well as on the chip compression ratio or and shear angle, corroborating the need for an in-depth study on the shear mechanism in sintered composites.