Avaliação de ferramentas de corte texturizadas preenchidas com nanotubos de carbono

Abstract

Devido à dificuldade de penetração do fluido de corte na região de contato entre o cavaco e a ferramenta, principalmente na zona de aderência, tem-se procurado alternativas para melhorar a lubrificação e refrigeração nesta região. Dentro deste contexto, surgiu a confecção de textura da ferramenta de corte, em sua superfície de saída, cujo objetivo inclui a maior penetração e retenção do fluido nos locais onde se localizam as maiores temperaturas e tensões sobre a ferramenta de corte. Como efeito, a textura também é capaz de reduzir a área real de contato entre cavaco e ferramenta, possibilitando a diminuição da aderência entre eles e, como conseqüência, a minimização da força de usinagem. Vários trabalhos apontam para a aplicação das texturas como micro reservatórios de fluido de corte ou lubrificante, em estado sólido ou líquido. A propriedade de “armazenamento” que as texturas apresentam pode ser explorada não somente para o retenção de lubrificantes ou detritos, mas pode agrupar materiais com alta condutividade térmica, ponto esse ainda não explorado. Micro ranhuras com maiores profundidades podem ser efetivas para o armazenamento de materiais que promovam alta condutividade térmica na interface de contato cavaco-ferramenta. Um material que poderia facilmente ser depositado em micro ranhuras com o intuito de promover uma melhor dissipação térmica seria os nanotubos de carbono, o qual tem uma condutividade térmica incomum dentre os materiais, medindo de 2000 a 6000 W/m.K considerando-se um único nanotubo de carbono. Em meio ao exposto, o objetivo deste trabalho está centrado na texturização de ferramentas de corte de metal duro (carbeto de tungstênio) confeccionada pelo processo laser, a fim de criar uma superfície com micro cavidades capazes de armazenar nanotubos de carbono. A fim de garantir a maior resistência e aderência possível dos nanotubos no interior das texturas foi empregada a técnica da compactação isostática. Porém, as geometrias das cavidades foram definidas tomando-se as diversas texturas encontradas na literatura para, enfim, escolher a mais adequada, tanto sob o ponto de vista de resistência mecânica quanto de dissipação de calor. Como método de análise dessas duas características, foi empregado a simulação por elementos finitos. Além disso, as ferramentas com texturas preenchidas com nanotubos foram comparadas às ferramentas com texturas mais comuns aplicadas no corte à seco e sob fluido de corte a fim de avaliar sua eficiência, tomando como horizonte a possibilidade de eliminação dos fluidos de corte sem diminuição da vida de ferramenta. Por meio do processo de torneamento em corpos de prova confeccionados em aço ABNT 1045, foram estudadas as variáveis de saída nos diversos tipos de ferramentas de corte, compreendendo as convencionais, texturizadas à seco, texturizadas sob aplicação de fluido de corte e texturizadas com preenchimento de nanotubos de carbono. As variáveis de saída analisadas foram: vida e desgaste da ferramenta de corte, força de usinagem, temperatura na ferramenta de corte, atrito na interface cavaco/ferramenta e adesão de material da peça na ferramenta de corte. Como resultado principal, tem-se que os nanotubos de carbono no interior das ferramentas texturizadas as tornam mais eficientes do que as ferramentas texturizadas em corte à seco, mas, sobretudo, rivalizando com a aplicação de fluido de corte.

Due to the difficulty of penetration of the cutting fluid in the region of contact between the chip and the tool, especially in the sticking zone, alternatives have been sought to improve lubrication and cooling in this region. In this context, the texture of the cutting tool was created on rake face, whose objective includes the greater penetration and retention of the fluid in the places where the highest temperatures and stresses are located on the cutting tool. As a result, the texture is also able to reduce the actual area of contact between chip and tool, allowing the reduction of the adhesion between them and, as a consequence, the minimization of the machining force. Several studies point to the application of textures as micro-reservoirs of cutting fluid or lubricant, in solid or liquid state. The "storage" property that the textures present can be exploited not only for the retention of lubricants or debris, but it can group materials with high thermal conductivity, a point not yet explored. Micro grooves with greater depths may be effective for storing materials that promote high thermal conductivity at the chip-tool interface. A material that could easily be deposited in micro grooves in order to promote a better thermal dissipation would be the carbon nanotubes, which has an unusual thermal conductivity among the materials, measuring from 2000 to 6000 W / mK considering a single nanotube of carbon. In the middle, the objective of this work is focused on the texturization of carbide cutting tools (tungsten carbide) made by the laser process, in order to create a surface with micro cavities capable of storing carbon nanotubes. In order to guarantee the highest resistance and adhesion of the nanotubes within the textures, the technique of isostatic compaction was used. However, the cavity geometries were defined by taking the various textures found in the literature to finally choose the most adequate, both from the point of view of mechanical resistance and heat dissipation. As a method of analysis of these two characteristics, the finite element simulation was used. In addition, the tools with textures filled with nanotubes were compared to the tools with the most common textures applied to the dry cut and under cutting fluid in order to evaluate their efficiency, taking as horizon the possibility of elimination of cutting fluids without life shortening tool. By means of the turning process in workpiece made of ABNT 1045 steel, the output variables were studied in the different types of cutting tools, including the conventional ones, dry textured, textured under cutting fluid application and textured with filling carbon nanotubes. The variables analyzed were: life and wear of the cutting tool, machining force, temperature in the cutting tool, friction in the chip / tool interface and adhesion of the workpiece material to the cutting tool. As a main result, the carbon nanotubes inside the textured tools make them more efficient than the dry cut textured tools, but above all, rivaling the application of cutting fluid