Efeito da posição e dimensões de uma microrranhura produzida na superfície de saída da ferramenta de corte sobre os mecanismos de formação do cavaco

Abstract

Uma das importantes premissas no desenvolvimento da geometria das ferramentas de corte reside na minimização do contato cavaco/ferramenta a fim de mitigar as forças envolvidas na formação do cavaco e, assim, melhorar o desempenho da operação. Esta tendência se firmou em meados do século passado quando os maiores pesquisadores em usinagem daquela época lançaram mão das chamadas ferramentas de contato restrito, cujo valor da área de contato cavaco/ferramenta pode ser controladamente imposto, e então o efeito da área na força de usinagem avaliado. Na mesma época se deu o estudo dos quebra-cavacos em busca do compromisso satisfatório entre a forma desejada do cavaco e o inevitável acréscimo na força de usinagem. Como consequência do conhecimento acumulado vieram as ferramentas com ranhura, posicionada contigua à aresta de corte, que incorporaram as geometrias do corte restrito e dos quebra-cavacos se aproximando das ferramentas modernas. Após um intervalo relativamente grande, no início dos anos 2000, surgiram as primeiras ferramentas de corte estruturadas, também denominadas texturizadas. Essencialmente, se trata de ferramentas de corte em cuja superfície de saída e/ou de flanco é confeccionada uma estrutura geométrica em relevo, normalmente com padrão determinístico, em escala micrométrica ou nanométrica. Como princípio, busca-se, assim como nos estudos antecessores das ferramentas de corte, a minimização da área de contato e seus consequentes benefícios. No entanto, o corte derivativo, surgido pelo contato da superfície inferior do cavaco com uma aresta da estrutura/textura, produz efeito adverso ao ponto de inviabilizar o seu emprego. Ademais, o grande número de parâmetros envolvido na definição de uma superfície estruturada/texturizada e sua influência sobre a formação do cavaco ainda não conta com subsídios suficientes na literatura para sua total compreensão. Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo central o estudo da influência dos principais parâmetros definidores de uma estrutura/textura, representado por uma única microrranhura, sobre as características da formação do cavaco e sua interação com a ferramenta com vista à intensidade do corte derivativo. Para isso, são avaliados o grau de recalque, a força de usinagem, observações da microestrutura do cavaco, obtidas com auxílio de um dispositivo “quick-stop” desenvolvido como parte deste trabalho, e filmagens da interação entre cavaco e ferramenta. A operação escolhida foi o corte ortogonal do cobre (eletrolítico) usando ferramentas de aço rápido, em cuja superfície de saída de cada uma delas foi confeccionada uma microrranhura com diferentes dimensões e posições em relação à aresta de corte. Em adição, sob as mesmas condições, foram conduzidos testes com ferramentas de contato restrito, uma vez que os dois tipos de ferramentas são direcionados à minimização da área de contato cavaco/ferramenta. De maneira geral, além das imagens inéditas da interação entre cavaco e microrranhura, observou-se que: o ângulo da direção do cavaco formado na ferramenta de corte restrito guarda relação com a posição e dimensões da microrranhura determinando a severidade do corte derivativo; uma combinação incorreta entre espessura de corte e posição da microrranhura gera outra região de aderência, adicional, com aumento do comprimento de contato cavaco/ferramenta; o melhor resultado alcançado nas condições do trabalho referem-se a uma microrranhura de 0,35 mm de largura com uma razão entre posição da microrranhura e espessura de Corte entre 2,5 e 5,5.

One of the important premises in the development of cutting tool geometry lies in minimizing chip/tool contact in order to mitigate the forces involved in chip formation and, thus, improve operation performance. This trend was established in the middle of the last century when the greatest researchers in machining at that time made use of so-called restricted contact tools, whose value of the chip/tool contact area can be controlled and imposed, and then the effect of the area on the machining force evaluated. At the same time, chipbreakers were studied in search of a satisfactory compromise between the desired chip shape and the inevitable increase in machining force. As a consequence of the accumulated knowledge came tools with a groove, positioned adjacent to the cutting edge, which incorporated the geometries of restricted cutting and chip breakers, approaching modern tools. After a relatively long interval, in the early 2000s, the first structured cutting tools, also called textured, appeared. Essentially, these are cutting tools whose rake and/or flank face contains a geometric relief structure, normally with a deterministic pattern, on a micrometric or nanometric scale. As a principle, as in previous studies of cutting tools, the aim is to minimize the contact area and its consequent benefits. However, the derivative cut, arising from the contact of the lower surface of the chip with an edge of the structure/texture, produces an adverse effect to the point of making its use unfeasible. Furthermore, the large number of parameters involved in defining a structured/textured surface and their influence on chip formation still does not have sufficient support in the literature for its full understanding. In this context, this work's central objective is to study the influence of the main defining parameters of a structure/texture, represented by a single microgroove, on the characteristics of chip formation and its interaction with the tool with a view to the intensity of the derivative cutting. To this end, the chip ratio, machining force, observations of the microstructure of the chip, obtained with the aid of a “quick-stop” device developed as part of this work, and footage of the interaction between chip and tool are evaluated. The operation chosen was the orthogonal cutting of copper (electrolytic) using highspeed steel tools, on the rake face of each of which a microgroove was created with different dimensions and positions in relation to the cutting edge. In addition, under the same conditions, tests were conducted with restricted contact tools, since both types of tools are aimed at minimizing the chip/tool contact area. In general, in addition to the unprecedented images of the interaction between chip and microgroove, it was observed that: the angle of the chip direction formed in the restricted cutting tool is related to the position and dimensions of the microgroove, determining the severity of the derivative cut; an incorrect combination between cutting depth and microgroove position generates another additional adhesion region, with an increase in the chip/tool contact length; The best results achieved under working conditions refer to a 0.35 mm wide microgroove with a ratio between microgroove position and cutting depth between 2.5 and 5.5.