Um levantamento sistemático da otimização dos parâmetros do processo RUM e sua influência nas características das peças do níquel 718

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 1716 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Esta pesquisa está focada na furação de superligas à base de níquel com broca diamantada e identificou os parâmetros significativos da usinagem ultrassônica rotativa que otimizam a taxa de usinagem (MR) e a qualidade da superfície. Quatro parâmetros gerais: material da peça, espessura da peça, material da ferramenta e tamanho da ferramenta; e quatro parâmetros RUM: rotação da ferramenta, taxa de avanço, potência ultrassônica e tamanho do grão abrasivo da ferramenta foram testados e a qualidade da superfície do corte. Os resultados indicaram que o valor máximo de MR de 0,8931mm3/seg é adquirido em maior nível de rotação da ferramenta, taxa de avanço, potência ultrassônica e nível moderado de tamanho de grão abrasivo do diamante. A rugosidade superficial mínima (Ra) 0,554 µm é observada em maior nível de rotação rotacional, valor moderado de taxa de avanço, potência ultrassônica e tamanho de grão abrasivo de diamante. Além disso, para funções de objetivo único e multiobjetivo, a abordagem de otimização por enxame de partículas (PSO) é usada para encontrar os valores ideais para os parâmetros do processo. Além disso, um microscópio eletrônico de varredura também é utilizado para verificar a superfície usinada após RUM. Conclui-se que são observadas microfissuras na superfície usinada.

Com o desenvolvimento da tecnologia de motores de aeronaves, materiais compósitos e difíceis de cortar estão sendo cada vez mais usados ​​nos novos motores. Esta descoberta mostra que há uma maior necessidade de técnicas de processamento e capacidades de componentes para a usinagem de materiais desafiadores.

As superligas à base de níquel são uma classe única de materiais metálicos com uma combinação notável de resistência a temperaturas elevadas, tenacidade e resistência à deterioração em condições corrosivas ou oxidantes1.

A Figura 1 mostra o avanço na capacidade de temperatura da superliga à base de níquel, que tem aumentado ano a ano devido ao processamento avançado, desenvolvimento de ligas, uso de revestimentos de barreira térmica e esquemas de resfriamento inovadores e eficazes2. Os componentes do motor de aeronave, como carcaça, discos de compressor, anel de rolamento, pás, disco de turbina e outras peças que operam em alta temperatura, são feitos com superligas à base de níquel devido à sua alta resistência, forte resistência à corrosão, excelente resistência térmica propriedades de fadiga e estabilidade térmica3. As numerosas superligas à base de níquel usadas em motores a jato estão listadas na Figura 2.

O desenvolvimento da capacidade de temperatura de ruptura por fluência de superligas à base de Ni abaixo de 1100 ℃ – 137 MPa3.

Utilizado para superligas à base de níquel, que normalmente representam cerca de 50% do peso de um motor a jato.

Cinquenta por cento das peças do motor a jato são feitas de Inconel 718. Inconel é uma liga Ni – Fe – Cr4. Porém, a resistência à tração do Inconel 718 pode atingir 1393 MPa à temperatura ambiente. A usinagem do componente torna-se difícil devido à sua usinabilidade. Possui usinabilidade de apenas 8–20% do aço, o que leva a um processamento ineficiente.

Além disso, a usinagem de superligas à base de níquel resulta em maior desgaste por oxidação da ferramenta, desgaste por adesivo, desgaste mecânico e por difusão, o que reduz a vida útil da ferramenta. Por exemplo, a perfuração grosseira e fina de uma lâmina de superliga à base de níquel com comprimento de perfuração médio requer mais tempo. Para usinagem de superligas, o desgaste frequente da ferramenta é considerado o fator direto que limita a eficiência do processamento, enquanto o aumento acentuado da temperatura causado pela superfície fortemente endurecida que está sendo usinada é um fator chave para acelerar o desgaste da ferramenta5.

Segundo Habeeb et al.6, a trinca induzida termicamente foi a principal razão para a falha da ferramenta em altas taxas de corte. Isso acontece porque as arestas estão sujeitas a uma quantidade significativa de choque térmico como resultado da alta temperatura provocada por velocidades de corte rápidas e mudanças significativas de temperatura7. A furação convencional normalmente enfrenta algumas dificuldades devido à localização do calor na zona de corte resultante do embutimento da broca na peça. A temperatura de corte afeta diretamente a precisão dimensional do furo perfurado, a qualidade da superfície e a vida útil da ferramenta. Lofti et al. utilizou perfuração assistida por ultrassom sob presença de lubrificação de quantidade mínima de nanofluido para aço 1045 e descobriu que devido à redução do coeficiente de atrito causado pela aplicação de vibração ultrassônica, o modo de desgaste da superfície perfurada é alterado do tipo adesivo para abrasivo e formação de construção a borda superior é restrita, o que resulta em melhor acabamento superficial8,9. Lofti et al. desenvolveu um modelo mecanístico de deflexão da peça para o alumínio 7075. Com ultrassom assistido e sem ultrassom assistido foi realizada perfuração na peça. Verificou-se que tanto na abordagem experimental quanto na teórica, com o aumento da velocidade de avanço provoca um aumento na deflexão da peça. Isto se deve ao aumento nos valores da força de empuxo que foi significativamente influenciado pelo movimento de alimentação10. Embora ferramentas de corte superduras como CBN e PCBN desempenhem alguns papéis na melhoria da eficiência de processamento de superligas à base de níquel, ferramentas de corte de cerâmica como matriz de alumina e Si3N4 ainda desempenham um papel importante. Verifica-se que a ferramenta CBN é capaz de usinar Inconel 718 em comparação com a ferramenta de metal duro. No cenário atual, a usinagem ultrassônica rotativa (RUM) pode ser empregada para usinagem de materiais de estrutura complexa e resistente, como cerâmica, titânio, vidro, etc.11 A Figura 3 indica o método de processamento do RUM. Uma broca rotativa com abrasivos de diamante ligados a metal é vibrada ultrassonicamente e alimentada em direção à peça de trabalho a uma taxa de avanço constante ou a uma força (pressão) constante. O líquido refrigerante bombeado através do núcleo da broca remove os cavacos, evita o emperramento da broca e a mantém fria. Existem dois mecanismos para o processo RUM: primeiro, pelo processo de vibração ultrassônica, é feita a remoção do material; em segundo lugar, através do processo tradicional de retificação abrasiva de diamante. Inclui o processo de martelamento, abrasão e extração para usinagem em RUM.