Efeitos da variação da velocidade de corte e do raio de gume em superfícies torneadas de compósitos autolubrificantes

Abstract

O constante avanço dos sistemas mecânicos desempenha um papel crucial no impulso do estudo de novos materiais, visando minimizar o desperdício de energia e, simultaneamente, aprimorar o desempenho funcional. Nesse contexto, a pesquisa sobre compósitos autolubrificantes tem emergido como uma alternativa viável, unindo lubrificação sustentável com sólidas propriedades mecânicas e tribológicas. Esses compósitos são produzidos por meio da metalurgia do pó, permitindo a criação de superfícies que se aproximam consideravelmente das formas finais. No entanto, a metalurgia do pó tem limitações em atingir tolerâncias dimensionais e propriedades superficiais necessárias para garantir a funcionalidade requerida. Por conseguinte, etapas de usinagem são incorporadas à produção desses materiais. Este estudo tem como foco avaliar a influência da variação do raio de corte (?), com valores de 3 µm e 46 µm, bem como da velocidade de corte (vc), nas faixas de 350 m/min, 650 m/min e 850 m/min, na etapa de torneamento. Foram conduzidas análises das superfícies, abordando morfologia, textura, integridade e comportamento tribológico. Verificou-se que o raio de corte da ferramenta e a variação da velocidade de corte impactaram nas componentes da força de usinagem e na qualidade das superfícies geradas. Notou-se considerável alteração nas superfícies usinadas com ? = 3 µm, em comparação com aquelas com ? = 46 µm, sobretudo na rugosidade, evidenciando superfícies menos ásperas com o menor raio de corte. Todavia, nenhuma das superfícies atingiu o limite mínimo de projeto estabelecido de 80% para a fração de apoio (Smr%) abaixo de 3 µm. Testes de torneamento indicaram que as condições com menor raio de corte resultaram em maiores porcentagens de porosidade e depósitos de lubrificante sólido na superfície, independente da velocidade de corte. As camadas afetadas foram minimizadas nessas configurações, devido a menores deformações plásticas. Em decorrência, os resultados dos ensaios tribológicos mostraram que amostras usinadas com raio de corte de 3 µm exibiram coeficientes de atrito dentro do limite de lubricidade (µ < 0,2). Em todas as configurações, a taxa de desgaste das superfícies das amostras superou significativamente a taxa de desgaste da esfera usada como contracorpo, com aumento de pelo menos 450% na taxa de desgaste. A morfologia da pista de desgaste, entretanto, revelou fenômenos tribológicos mais concentrados nos picos de rugosidade.

Abstract: The constant development of mechanical systems significantly contributes to the growth of the study of new materials that minimize energy waste and, simultaneously, improve its functional performance. Thus, self-lubricating composites have become a viable option, combining more sustainable lubrication and good mechanical and tribological properties. The self-lubricating composite is produced from powder metallurgy, which allows obtaining surfaces with shapes very close to the final ones. However, the powder metallurgy process has limitations in achieving dimensional tolerances and surface properties in order to fulfill the desired functionality, thus, machining steps are added to the manufacture of parts with these materials. In this context, the present work aims at evaluating the variation of the cutting edge radius (?) in 3 µm and 46 µm and cutting speed (vc) 350 m/min, 650 m/min and 850 m/min in the turning stage. The surfaces were analyzed regarding morphology, texture, integrity and the tribological behavior. It was found that the cutting edge radius of the used tool and the variation in cutting speed influenced the machining force components, as well as the quality of the obtained surfaces. It was observed that there is a great change in terms of roughness of the machined surfaces using the cutting edge configuration with ? = 3 µm compared to ? = 46 µm, and less rough surfaces are obtained with the former. Furthermore, none of the studied surfaces were within the defined minimum design limit of 80% for the support fraction condition (Smr%) below 3 µm. Based on turning tests, it was verified that the highest porosity content and solid lubricant deposited on the surface were obtained for the conditions with the smallest cutting edge, regardless of the cutting speed. And the smallest affected layers were observed for these configurations due to the lowest plastic deformations. As a result, the tribological tests showed coefficient of friction values within the lubricity limit (µ < 0,2) for all samples machined with a cutting edge radius of 3 µm. For all analyzed configurations, the wear rate of the surfaces of the samples was much higher than the wear rate of the sphere used as counterbody, showing an increase of at least 450%. However, the morphology of the wear track presented tribological phenomena more localized at the roughness peak.