Contribuição experimental para o estudo da formação de cavaco de TI6AL4V em corte ortogonal em uma fresadora

1. EXPERIMENTAL CONTRIBUTION TO THE STUDY OF THE TI6AL4V CHIP
FORMATION IN ORTHOGONAL CUTTING ON A MILLING MACHINE
(Contribuição experimental para o estudo da formação de cavaco de
TI6AL4V em corte ortogonal em uma fresadora)

2. AGENDA
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 INTRODUÇÃO
 PROPOSTA DE DESENVOLVIMENTO
 METODOLOGIA
 RESULTADOS
 CONCLUSÕES

3. INTRODUÇÃO
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 As ligas de titânio são materiais amplamente utilizados na área biomédica no setor
de produção de implantes, ferramentas para cirurgia, no setor aeronáutico entre
outros devido às suas propriedades;
 Têm custo elevado e devido a isso é pouco utilizada. O alto custo é explicado pela
dificuldade em usinagem, que devido às propriedades que o material possui, se
torna bastante complexa, enfrentando problemas com aquecimento e alto desgaste
de ferramenta;
 Estudos são desenvolvidos estudos para resolução desses problemas, mas possuem
valor alto no desenvolvimento experimental;
 O objetivo do artigo estudado foi sobre o tipo de corte na usinagem -
rigorosamente ortogonal do material e sua influência na formação do cavaco
serrilhado.

4. MATERIAL USINADO: Liga de Titânio Ti6Al4V
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 A liga em questão é composta de 90% Titânio, 6% de alumínio e 4% de vanádio em
massa (mantendo as propriedades do titânio) e foi recozida à 750°C por uma hora;
 Para usinagem da liga proposta assim como demais ligas com maior porcentagem de
titânio, as forças de corte e temperatura são altas, bem como o nível de vibrações da
ferramenta e desgaste que é consequência dos cavacos serrilhados;
 Alguns autores tem teorias que explicam a formação deste tipo de cavaco. O primeiro
diz sobre a faixa de cisalhamento adiabática, o segundo sobre a propagação de
trincas e um terceiro combina as duas teorias anteriores.
Exemplos de implantes produzidos em liga de titânio

5. MATERIAL USINADO: Liga de Titânio Ti6Al4V
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 O titânio é encontrado em duas formas cristalinas: α e β. Abaixo de
aproximadamente 882°C, tem estrutura cristalográfica hexagonal α e acima de
882°C a estrutura é cúbica β;
 Em temperaturas de 550-600°C as ligas possuem baixa densidade com boa
resistência ao escoamento e possui boas propriedades criogênicas. As ligas têm
uma resistência excepcional à corrosão na água do mar e no corpo humano e
assim o titânio é, um dos metais mais biocompatíveis com ouro e platina.
Titânio extraído da natureza

6. CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL
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A usinagem é uma operação tridimensional complexa que envolve muitos fenômenos
afim de resolver alguns desses fenômenos adota-se o corte ortogonal que passa a
operação a um plano bidimensional.
Configuração de corte ortogonal com
direção de avanço e rotação da amostra

7. CONFIGURAÇÕES CLÁSSICAS DE CORTE
ORTOGONAL
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 Para chegar o mais próximo possível das suposições de corte ortogonal em uma
operação de torneamento, normalmente são consideradas as teorias de Altintas e
de Mahnama e Movahhedy;
 O segundo método é frequentemente usado porque permite realizar um
experimento por ranhura e, portanto, vários testes em uma certa parte;
 O raio da amostra influencia o corte devido à curvatura da superfície para usinar;
 Para o tubo, a superfície usinada é sempre o mesmo e a ferramenta apaga a cada
teste, o que torna sua disponibilidade para investigações futuras impossível. Além
disso, o torneamento de face deve ser feito para preparar a superfície para usinar
antes de cada teste e não é fácil encontrar tubos Ti6Al4V;

8. PROPOSTA DE NOVA CONFIGURAÇÃO
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 A configuração proposta usa uma fresadora de alta velocidade de cinco eixos
Deckel-Maho DMU-80T;
 O principal conceito é usar a fresa como uma máquina para desbaste;
 Duas razões principais levam à escolha de uma fresadora sobre uma plaina:
Em primeiro lugar, fresadoras são mais comuns que as plainas, em segundo
lugar, que somente um suporte customizado deveria ser feito (para
ferramenta) economizando tempo e menor custo.
Cavaco serrilhado

9. PROPOSTA DE NOVA CONFIGURAÇÃO
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 Os testes visam remover camadas de material de diferentes espessuras, e a
profundidade de corte é maior que o raio da aresta da ferramenta
 A desvantagem desta configuração é a baixa velocidade de corte 30m/min,
seguindo as recomendações de ferramenta – material padrões
 A velocidade média de corte em todo comprimento utilizada para todos os
testes realizados neste estudo foi 29,65 m/min com diferença de 1%, para a
teórica, assim a configuração experimental foi válido.
Configuração de corte

10. AMOSTRA
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Amostra (dimensões em mm)
• Cilindro de 18 mm de diâmetro
• Comprimento de 20 mm
• Três espigas
• Largura 1 mm
• Comprimento de 10 mm
• Altura de 2 mm
• Espaço entre dois 4 mm
• Dois planos quadrados de lado de 10 mm
• Dois planos quadrados de Profundidade 1,5 mm

11. FERRAMENTA
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• Porta-ferramentas fique em contato com o ferramenta
• Dois parafusos e um terceiro para prender a ferramenta
• Dez parafusos que fixa a ferramenta na mesa
• Ângulo de inclinação é 15°
• Ângulo de incidência 2° e o raio da aresta de corte 20 μm
• Quatro paramentos de AP 280, 100, 60 e 40 μm
• Frequência de amostragem de 70 kHz
Parte do suporte que segura a ferramenta

12. • Corte ortogonal de Ti6Al4V com cavacos serrilhados
CONDIÇÕES DE CORTE
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13. 13
• Corte ortogonal de Ti6Al4V em um microscopia eletrônica de varredura
CONDIÇÕES DE CORTE

14. MICROSCÓPIO ÓPTICO
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Cavacos no microscópio óptico (a) 280 µm, (b) 100 µm, (c) 60 µm, (d) 40 µm

15. MICROSCÓPIO ÓPTICO
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Comprimento característico de um cavaco dentado típico
É importante notar que a curvatura do cavaco não afeta o comprimento do dente
indeformado, ao contrário do passo. A altura do dente e o altura do cavaco
também são influenciados pela curvatura, mas para um menor extensão.
Comprimento característico do cavaco serrilhado
com 280 µm ( desvio padrão do comprimento x)

16. MICROSCÓPIO ÓPTICO
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Microestrutura do cavaco em 280 µm (as setas
apontam para as diferentes zonas de grãos do
dente de diferentes interstícios)
Para o cavaco dentado (profundidade de corte de 280 μm), o grãos são altamente
deformados na zona de cisalhamento primária e não dentro dos dentes. Esta zona é
mais larga para os cavaco contínuos.

17. MICROSCÓPIO DIGITAL
 Microscópio Keyence VHX-2000
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• Faixa de ampliação de 0,1 x 5000x
• 360° de observação
• Capacidade de imagem e
medição 2D/3D incluindo
ferramentas de medição
automatizadas e controle
motorizado nas direções XYZ
• Câmera 3CCD de 54 megapixels
Produto descontinuado pelo
fabricante
Dados disponíveis em:
https://www.keyence.com/products/
microscope/digital-microscope/vhx-
2000/

18. MICROSCÓPIO DIGITAL
Cavaco com 280 μm de
profundidade de corte:
 Alta rugosidade percebida pelo
toque na peça.
 Ausência de material entre os
dentes do cavaco, podendo ser
percebida até a olho nu
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As setas apontam a ausência de material
entre os sucessivos dentes do cavaco na
profundidade de corte de 280 µm

19. FORÇAS DE CORTE
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Forças de corte e de avanço para uma velocidade de
corte de 30m/min e uma profundidade de corte de
280 µm.
Forças de corte e de avanço para uma
velocidade de corte de 30m/min e uma
profundidade de corte de 60 µm.

20. FORÇAS DE CORTE
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Raiz média quadrada (RMS)
Resumo dos RMS de FC e FF das diferentes profundidades de corte

21. RUGOSIDADE DA SUPERFÍCIE USINADA
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Resumo dos valores de rugosidade aritmética (Ra) encontrados nas
diferentes profundidades de corte
Perfil de rugosidade para profundidades de
corte de 60 µm e 280 µm

22. Sendo os dois últimos métodos apenas para o “conhecimentos dos autores” e não
sendo utilizados na literatura para avaliar a frequência de formação de dentes no
cavaco.
FREQUÊNCIA DA FORMAÇÃO DE DENTES
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A estimativa da frequência de formação de seus dentes no artigo é feita
baseadas no(a):
• na geometria do cavaco;
• nas forças;
• na Transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Transform - FFT) do sinal
da força de corte;
• melhor seno em uma forma de mínimos quadrados ajustados na evolução
da força de corte
• na rugosidade da superfície usinada.

23. ESTIMATIVA BASEADA NA GEOMETRIA DO
CAVACO
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𝑓𝑔 =
𝑉𝑐
𝐿
=
30 𝑚 𝑚 𝑖𝑛
206 µ𝑚
∗
60
10−6
= 2427,184466 𝐻𝑧
A frequência de formação de dentes pode ser estimada a partir do
comprimento do dente não deformado. É dada pela equação:
𝑓𝑔 =
𝑉𝑐
𝐿
• L = comprimento do dente não deformado medidos em 25 dentes
• Vc = Velocidade de corte (no caso estudado equivale a 30 m/min)
Pela tabela 1 podemos ver que esse L equivale a 206 μm, sendo assim

24. ESTIMATIVA BASEADA NA FFT
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 Para validarmos o método teórico usaremos mais uma estimativa para
encontrar a frequência de formação dos dentes.

25. ESTIMATIVA BASEADA NOS MÉTODOS DOS
MÍNIMOS QUADRADOS
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 Neste método a evolução da força é representada pelo seno da frequência igual
a da formação dos dentes.

26. ESTIMATIVA BASEADA NA RUGOSIDADE DA
SUPERFÍCIE
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 Utilizando o perfil de rugosidade do cavaco serrilhado anteriormente medido,
observamos uma evolução cíclica, podendo ser a da força de corte;
 A partir disso, foi realizado o FFT para avaliar a formação dos dentes de
frequência.

27. CONCLUSÕES DA FREQUÊNCIA DA FORMAÇÃO
DOS DENTES
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 Foram encontrados valores semelhantes da frequência de formação do dente
em três dos quatro métodos de análise utilizados;
 O FFT e o método dos mínimos quadrados deram valores semelhantes de
frequência e com alto desvio padrão e o FFT possui muitos picos, dificultando
sua execução;
 O valor da frequência pelo FFT do perfil de rugosidade foi semelhante aos dois
últimos, mas com mais confiabilidade;
 Desse modo, a frequência de formação dos dentes no corte ortogonal em uma
velocidade de corte de 30m/min, profundidade de corte de 280 μm é, em torno
de 2100 Hz;
 Analisando os resultados, recomenda-se o uso do método clássico, baseado na
geometria do cavaco e o método que se baseia na rugosidade da superfície.

28. CONCLUSÃO
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 A nova configuração proposta usa uma fresadora de alta velocidade DMU-80T
como uma plaina;
 Quatro valores diferentes de profundidade de corte foram considerados. As
forças foram medidas e o cavaco foi coletados para serem observados sob um
microscópio após gravura. Para a profundidade de corte de 280 μm, o cavaco
foi serrado.
 O corte foi ortogonal e o nível das forças diminuíram com a profundidade do
corte;
 Reduzir a profundidade de corte levou a um cavaco contínuo entre 100 μm e 60
μm, em seguida, permaneceu com o tamanho de 40 μm.
 A rugosidade da superfície da máquina foi semelhante em todas as
profundidades exceto em 280 μm. Neste caso a rugosidade foi maior e o perfil
encontrado foi cíclico.
 A frequência de formação dos dentes foi determinada e o valor encontrado foi
aproximadamente 2100 Hz e o método de rugosidade mostrou ser o melhor;

29. OBRIGADO!
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