Estratégias de lubrificação sustentável na maquinagem da liga Ti6Al4V

Abstract

A maquinagem de ligas de titânio, como a liga Ti6Al4V, exige grandes quantidades de lubrificante, por forma a remover o calor gerado da zona de corte. A maquinagem sustentável visa reduzir a utilização destes fluidos, por forma a atingir as metas de sustentabilidade impostas pelos governos. Neste contexto, têm surgido estratégias como a maquinagem a seco, a quantidade mínima de lubrificação, a utilização de refrigerantes de alta pressão e a refrigeração criogénica com azoto líquido, que se apresentam como alternativas mais sustentáveis à lubrificação abundante. A simulação numérica, em particular a modelação por elementos finitos, desempenha um papel de importância crucial na análise das operações de maquinagem. A sua utilização permite reduzir o número de ensaios experimentais necessários para determinar os parâmetros mais adequados ao corte, bem como avaliar os perfis de tensão e temperatura na peça e na ferramenta. Assim, no presente trabalho pretende-se desenvolver um conjunto de simulações numéricas por elementos finitos utilizando o software comercial AdvantEdge, que permitam avaliar a influência de estratégias de lubrificação sustentável, em particular, a maquinagem a seco, a quantidade mínima de lubrificação, os refrigerantes de alta pressão e a refrigeração criogénica com azoto líquido (LN2), na maquinabilidade da liga Ti6Al4V. Numa primeira fase foi feita a validação dos modelos numéricos das estratégias de lubrificação em análise, com base em resultados experimentais, retirados da literatura. Numa segunda fase foi feita uma comparação entre as diferentes estratégias, adotando os mesmos parâmetros de corte e os modelos numéricos validados anteriormente. Foram avaliadas a força de corte e avanço, a temperatura máxima na ferramenta de corte, a forma da apara e as tensões residuais na peça. Os resultados mostraram que a estratégia de lubrificação MQL foi, na globalidade, a melhor estratégia.

Machining of titanium alloys, such as the Ti6Al4V alloy, requires large amounts of lubricant to remove the heat generated from the cutting process. Sustainable machining aims to reduce the use of these fluids, to achieve sustainability goals. In this context, dry machining, minimum quantity of lubrication (MQL), high pressure coolant (HPC) and cryogenic cooling with liquid nitrogen (LN2) have emerged as more sustainable alternatives to abundant lubrication. Numerical simulation, in particular finite element (FE) simulation, plays a crucial role in the analysis of machining operations. It allows for a reduction in the number of experimental tests required to determine the most suitable parameters for cutting, as well as to evaluate cutting conditions, such as temperature and stress profiles in the part and tool. The present work intends to develop a set of numerical simulations by finite elements using AdvantEdge commercial software, that enable to evaluate the influence of sustainable lubrication strategies, such as dry machining, minimum quantity of lubrication (MQL), high pressure coolant (HPC) and cryogenic cooling with liquid nitrogen (LN2), on the machinability of the Ti6Al4V alloy. Firstly, the numerical models of the lubrication strategies were validated, based on experimental results, taken from the literature. Then, a comparison was made between the different strategies, using the same cutting parameters and the numerical models previously validated. The cutting and feed forces, the maximum temperature in the cutting tool, the chip shape and the residual stresses in the part were then evaluated. The results showed that the MQL strategy demonstrated to be, overall, the best strategy.