Como forma de validar o trabalho proposto e discutir os resultados obtidos, Dinc,
Lazoglu e Serpenguzel (2008), por fim, realizaram quarenta experimentos distintos, variando o ângulo e a velocidade de corte, bem como o avanço em cada um dos dois materiais trabalhados, a saber: Al 7075 e AISI 1050. Desse modo, os autores plotaram gráficos para a ferramenta utilizada e a distribuição de temperatura em sua face de corte. Tal análise, portanto, contemplou as temperaturas máximas na face considerada tanto para a primeira peça de trabalho (Al 7075), como para a segunda (AISI 1050). De modo geral, então, os pesquisadores puderam enunciar que: "a temperatura máxima na interface ferramenta cavaco cresce à medida que a velocidade de corte aumenta"; "a temperatura máxima na interface ferramenta cavaco cresce à medida que o avanço é elevado"; "a relação entre a máxima temperatura na interface ferramenta-cavaco e o ângulo de corte não é peculiar"; e, "os resultados dos experimentos conduzidos para diferentes geometrias da ferramenta, velocidades de corte distintas e diversas taxas de alimentação mostram grande confiabilidade nas simulações, quando as temperaturas média e máxima na interface ferramenta-cavaco e a distribuição de temperatura na face de corte são consideradas".
Brito et. al. (2009) estudaram a influência do calor em ferramentas de corte em vista da variação de espessura do revestimento e do fluxo de calor. Para isso, consideraram apenas um tipo de material e ferramenta de dimensões 12,7 (m) x 12,7 (m) x 4,7 (m). Os valores estabelecidos para a espessura do revestimento foram 0,010 (m) e 0,001(m). A equação de difusão do calor, então, foi dividida em dois tipos de condições de contorno: imposição do fluxo de calor em uma região pré-determinada (S2); e coeficiente de transferência de calor por convecção constante nas demais regiões da ferramenta – Figura 3. Além disso, para o problema proposto, foram ponderados os parâmetros dos materiais para as ferramentas de corte e os revestimentos: Ferramenta de Corte K10: =14,900 (kg m−3), Cp=200 (J kg−1 K−1), k=130 (W m−1 K−1) à 25 (°C); Ferramenta de Corte de Diamante: =3515(kgm−3), Cp=471(J
(m/rot) e a profundidade de corte em 3,0 m.
Por fim, com o objetivo de se definir a análise proposta, Brito et. al. (2009) tomaram a geometria em três dimensões; o regime transiente; as propriedades térmicas constantes; o contato térmico perfeito; o fato de nenhuma resistência entre o substrato e o revestimento; e as condições de contorno do fluxo de calor uniformes e em função do tempo como hipóteses para execução do estudo numérico. Nesse estudo, assim, para a solução das equações provenientes do Cálculo de Dinâmica dos Fluidos, foi utilizado o Método do Volume Finito (MVF) com esquema de Euler para discretização do domínio físico. Nas aproximações recorrentes, continuando-se os cálculos, aplicou-se o Teorema da Divergência de Gauss e estabeleceu-se os níveis de aproximação. Então, para a validação numérica, uma análise da influência do refinamento da malha nos resultados de temperatura foi conduzida. Em vista disso, foram adotadas as propriedades térmicas da ferramenta de corte revestida (de dimensões supra-citadas) ISO K10, a saber: k=43.1 (W m−1 K−1), Cp=332.94 (J kg−1 K−1) e =14,900 (kg m−3). Assim, por meio do teste de convergência utilizado, os pesquisadores observaram a influência das dimensões da malha gerada na temperatura calculada através dos métodos numéricos. Em seu trabalho, além disso, os autores utilizaram-se de 501.768 nós e
481.500 elementos hexaédricos bem como de parâmetros únicos para todos os testes: intervalo de tempo de 0,2 segundos e tempo total de 110 (s); temperatura de 29,5 (ºC); coeficiente de fluxo de calor igual a 20 (W m-2 K-1) e área sujeita ao fluxo térmico de 108,16 (mm2).
Figura 3 - Ferramenta de corte revestida: detalhe da interface (a) e região do fluxo (b).
Fonte: Brito et. al., 2009
De maneira geral, na discussão dos resultados obtidos a partir dos testes feitos, Brito et. al. (2009) selecionaram 10 casos. Como conseqüência da análise da influência do fluxo de calor e da variação de espessura dos revestimentos no campo de temperatura na interface "cavaco-ferramenta", enfim, os autores perceberam que tais revestimentos não influenciam na diminuição de temperatura. Além disso, constataram um crescimento de, aproximadamente, dezessete vezes na temperatura ao se elevar o fluxo térmico q(t) em dez vezes na região do cavaco-ferramenta; uma mudança significativa não foi observada no fluxo de calor na ferramenta de TiN com revestimento K10 de um micrômetro; e, uma vez que uma pequena redução no fluxo de calor foi observada, o revestimento utilizado na ferramenta de corte não se mostrou satisfatório.
Jayal e Balaji (2009) pesquisaram os efeitos da aplicação de fluidos na área de desgaste da ferramenta no processo de usinagem. Sob esse aspecto, então, os autores verificaram as influências dos revestimentos usados e das características da ferramenta em estudo. De maneira prática, foram utilizadas barras cilíndricas de aço AISI 1045 submetidas ao torneamento na posição horizontal realizado sob elevada velocidade de corte. Assim, os autores constataram que os efeitos da aplicação dos diferentes métodos de lubrificação na região de desgaste da ferramenta durante a usinagem das barras de aço mencionadas dependem da relação ferramenta-revestimento e do tipo de cavaco gerado.
4.4. Levantamento das propriedades dos materiais utilizados atualmente nas pastilhas
As propriedades dos materiais empregados em pastilhas de ferramentas de corte para a usinagem apresentam os mais variados aspectos em termos das propriedades termofísicas desses materiais. Assim, em trabalhos de pesquisa científica verificam-se diferentes análises em vista de tais características. Isso porque a variabilidade de suas influências nos resultados dos estudos permite a otimização dos métodos e a justificativa de possíveis erros encontrados durante a execução de ensaios laboratoriais propostos: tanto de cunho experimental como de caráter essencialmente numérico.
Apesar de o termo "propriedades termofísicas" ser comumente utilizado nos círculos científicos e metalúrgicos e em alguns livros, resumos, e artigos em circulação, nenhuma definição distinta pode ser encontrada, deixando margem para acrescentar (ou até retirar) algumas propriedades de tempos em tempos. Uma vez que existem diferentes maneiras de se definir tais propriedades, tratamos as propriedades termofísicas como uma seleção de propriedades mecânicas, elétricas, ópticas e térmicas dos materiais em metais e ligas (e sua dependência da temperatura) que são de relevante aplicação industrial, científica e metalúrgica. (BROWN; GALLAGHER, 2008, p. 299, grifo nosso, tradução nossa).
Wissmiller e Pfefferkorn (2009) observaram a transferência de calor em ferramentas de corte do tipo "broca" em operações de usinagem de materiais. Com o objetivo de se melhorar a vida da ferramenta e a precisão do processo, os autores utilizaram-se de câmera de infravermelho durante o procedimento para a usinagem localizada do alumínio (6061-T6) e do aço (1018). Aplicando-se estudos de natureza numérica e experimental, os autores mediram as temperaturas, bem como as estimaram por meio de um modelo térmico bidimensional e transiente. Além disso, os pesquisadores conduziram uma análise baseada no chamado "particionamento do calor" de Loewen e Shaw. Para isso, empregaram o pacote comercial COMSOL® Multiphysics com o fim de se estimar as temperaturas na ferramenta e o fluxo de calor. Os termos quantitativos das propriedades termofísicas consideradas para a ferramenta em estudo foram, respectivamente, para a condutividade térmica; o calor específico; a densidade e a difusividade térmica, os seguintes: 60 (W/mK); 500 (J/KgK); 10.0 (Kg/m³); e 1,2 x 10-5 (m²/s).
Yang et. al. (2010) estudaram a caracterização da zona termicamente afetada produzida quando do aquecimento gerado durante o processo de usinagem de uma liga de Titânio,
Alumínio e Vanádio (Ti6Al4V), cuja composição química é constituída de 0,05 de N; 0,08 de C; 0,015 de H; 0,40 de Fe; 0,20 de O; somada as porcentagens de Ti, V e Al. Os pesquisadores conduziram procedimentos experimentais, bem como uma análise em três dimensões utilizando-se de elementos finitos. As propriedades termofísicas da liga (Ti6Al4V) considerada foram adotadas da literatura (de Mills, 2002) e apresentada em tabela para o modelamento efetuado. Essa tabela é disposta abaixo (Figura 4), com a finalidade de se observar as variações da condutividade térmica, do calor específico e da densidade ao se variar a temperatura. Em vista disso, assim, os autores aplicaram o pacote comercial ANSYS®
V. 1.0 SP1 para se criar o modelo citado e, comparando-se os resultados obtidos por meio das duas etapas (experimental e numérica), avaliaram uma boa relação entre eles, de forma que os desvios observados graficamente foram mínimos.
Figura 4 - Propriedades termofísicas da liga de Ti6Al4V.
Fonte: Mills, 2002 apud Yan et. al. 2011.
Yan et. al. (2010) concluíram, por meio dos métodos desenvolvidos, a indicação do decréscimo muito rápido da distribuição de temperatura em uma da direções analisadas, sendo verificada a maior temperatura no topo da peça de trabalho de 2269 (ºC) no instante 0,25 (s), maior que o ponto de fusão da liga – 1650 (ºC), o que provocou a deposição da liga sobre o material usinado. Além disso, como elementos finais do estudo, os pesquisadores enfatizaram a importâncias dos fatores térmicos "emissividade" e "absorção" em ambas as aproximações realizadas; bem como a influência da potência do laser, da velocidade e do tamanho de sua seção no aumento e na diminuição da profundidade e da largura da zona termicamente afetada.
Tratar da análise da distribuição do campo de temperatura, bem como do estudo do fluxo de calor em ferramentas de corte (ou, em todo o conjunto "ferramenta, calço e porta- ferramenta") durante operações de usinagem é uma tarefa que exige métodos mais complexos capazes de se obter dados confiáveis acerca do processo em questão. Isso porque a usinagem de materiais envolve altas temperaturas, sendo difícil a mensuração desse parâmetro na região de desgaste (ou, região "ferramenta-cavaco", como definido por alguns autores). Dessa forma, a combinação entre formulações de problema direto e inverso, associada a técnicas para solução desse último, permitem conduzir procedimentos de natureza numérica a fim de se estabelecer uma linha de pesquisa com vista para a otimização do uso de ferramentas de corte – uma vez que se vislumbra proporcionar o aumento de seus desempenho e durabilidade.
Em um processo de torneamento a energia mecânica é convertida em calor por meio da deformação plástica do cavaco e do atrito entre a ferramenta e a peça. A difusão desse calor na interface cavaco-ferramenta-peça tem um papel fundamental no desempenho das ferramentas e consequentemente no processo de torneamento. A necessidade contínua do aumento das velocidades de corte em processos de usinagem de alto desempenho tem impulsionado pesquisas de novos materiais resistentes a altas temperaturas, assim como estudos de maximização da taxa de remoção de material. Além disso, a investigação dos campos térmicos durante o torneamento possibilita a análise e controle dos fatores que influenciam no uso, vida útil e desgaste das ferramentas. A dificuldade da obtenção da temperatura na interface cavaco-ferramenta mesmo para condições de corte simples, requer, por sua vez, o desenvolvimento de uma técnica eficiente. (CARVALHO, 2005, grifo nosso)
A observância do binômio "causa-efeito", sob os aspectos acima considerados, revela a caracterização dos dois tipos de problemas citados: os problemas direto e inverso. No caso do primeiro, parte-se da causa de um fenômeno físico para se chegar ao efeito produzido por ele. Sendo assim, busca-se através do problema direto, para o caso em estudo, adotar um fluxo de calor já conhecido da literatura (obtidos através de experimentos realizados) com o fim de se obter o campo de temperatura na interface do conjunto "ferramenta, calço e porta- ferramenta". No segundo, ao contrário, parte-se do efeito obtido para se chegar à causa que o produziu. Dessa forma, como nas operações matemáticas, trabalhar com inversas de funções já conhecidas não é, por vezes, uma tarefa elementar. Assim, por meio do problema inverso, busca-se utilizar de técnicas que permitam usar temperaturas medidas experimentalmente; modelar o problema térmico baseando-se na equação de difusão do calor e estimar o fluxo de calor (ou, em casos de aplicação semelhante, estimar outros parâmetros térmicos).
Nesse contexto de otimização do processo produtivo de materiais usinados, além disso, também se observa a utilização dos revestimentos em pastilhas para ferramentas de corte, visto que tais elementos são capazes de ampliar a durabilidade e melhorar o desempenho destas, bem como efetuar o isolamento térmico do conjunto. Assim, por meio de uma análise numérica, torna-se importante o estudo da influência desse recurso industrial em busca de uma qualidade maior das ferramentas. Segundo Brito et. al. (2009, p. 314), "estes revestimentos são geralmente materiais cerâmicos que proporcionam um menor desgaste, com características de isolamento térmico". Dessa forma, é viável tratar os tipos de materiais para revestimento, além da variação de espessura dos mesmos, a fim de se verificar as condições ideais para operações de usinagem.
Da forma como apresentado nos tópicos anteriores e ponderado ao longo de todo este relatório, buscou-se, primeiramente, para o cumprimento das atividades previamente estabelecidas, efetuar um estudo numérico para a obtenção do campo de temperatura em todo o conjunto (ferramenta, calço e porta-ferramenta) através da formulação de problema direto, do desenho de geometria em três dimensões e da não-utilização de revestimento. No entanto, com este procedimento, angariaram-se inúmeros dados de análise e informações teóricas para a continuidade deste estudo, obtendo-se a distribuição do campo de temperatura da ferramenta isolada, utilizando-se de técnicas de problema inverso, como poderá ser visto ao longo das próximas páginas.
6. Materiais e Equipamentos
Nos subtópicos seguintes, são apresentados os materiais e equipamentos utilizados para realização do presente projeto.
• Pacotes computacionais ou aplicativos (Pacote Office® V. 2010 - Student, Compilador
Fortran G95 , AutoCAD® V. 2012, SolidWorks® V. 2012, ANSYS ICEM CFD® V. 14.0, ANSYS CFX® V. 14.0, OriginPro® V. 8.0).
• Microcomputadores para o desenvolvimento das metodologias.
6.3. Computador com processador Intel® Core™ i7 com 4 núcleos
Processador de 64-bits Intel® Core™ i7; Sistema Operacional Windows 7 de 64 bits; Memória de 6 GB;
Interface de Rede 10/100/1000 Gigabit Ethernet Integrada; 02 (dois) Discos Rígidos de 1 TB de armazenamento SATA interno; Placa de vídeo gráfica de alto desempenho com 512MB e 150 watts em slot PCI Express x16 com opção para duas placas;