Avaliação da rugosidade no torneamento de acabamento em titânio comercialmente puro grau 4 sob uma perspectiva de usinagem ambientalmente amigável

Abstract

As características únicas das ligas de titânio, como alta resistência mecânica a temperaturas elevadas, baixa densidade, excelente resistência à corrosão e biocompatibilidade tornam esse material adequado para várias finalidades. Entretanto, as mesmas propriedades físicas e químicas que proporcionam tais características também comprometem sua usinabilidade. Muitas aplicações requerem acabamento ótimo da superfície usinada, enquanto que as preocupações acerca dos impactos negativos causados pelo uso de fluidos de corte direcionam as pesquisas na busca da redução ou eliminação do seu uso. Diante desse cenário, o objetivo deste trabalho foi avaliar a rugosidade média (𝑅𝑎) e altura máxima média do perfil (𝑅𝑧) no torneamento de acabamento em titânio comercialmente puro grau 4 em um contexto ambientalmente amigável. A usinagem foi realizada com inserto de metal-duro revestido e sob três condições de lubrirrefrigeração: a seco, com mínima quantidade de lubrificante (MQL) e com quantidade reduzida de lubrificante (RQL). Três níveis de avanço, profundidade de corte e velocidade de corte foram combinados em um projeto de experimentos Box-Behnken. Equações de regressão estabeleceram a relação entre os parâmetros controláveis e as variáveis de resposta, ao passo que a Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) possibilitou otimizar o experimento com vistas a minimizar a rugosidade. Conforme esperado, a análise estatística mostrou que o avanço é o parâmetro que mais afeta o acabamento, devendo ser mantido em nível baixo com vistas a melhorar a qualidade da superfície usinada. Menores valores de rugosidade foram alcançados com nível baixo de velocidade de corte e profundidade de corte no torneamento com RQL, enquanto que são necessários níveis mais altos desses parâmetros de corte para a usinagem a seco e com MQL. A otimização experimental através da função desirability atestou que a usinagem com RQL é a melhor alternativa para o torneamento de acabamento do titânio comercialmente puro grau 4 por proporcionar bom acabamento da superfície usinada, conforme demonstrado nos testes de validação da otimização. Além disso, o emprego de fluido de corte em quantidade reduzida torna essa condição uma alternativa ambientalmente viável em comparação à refrigeração com fluido em abundância.

The unique properties of titanium alloys, such as high mechanical strength at high temperatures, low density, excellent corrosion resistance, and biocompatibility make this material suitable for various purposes. However, the physical and chemical properties of titanium alloys impair its machinability. Many applications require an optimal surface finish, while research seeks to reduce or eliminate the use of the cutting fluids because of their negative impacts. Thus, the aim of this work was to evaluate the average surface roughness (𝑅𝑎) and average maximum profile height (𝑅𝑧) in commercially pure titanium grade 4 finish turning in an environmentally friendly perspective. The machining was carried out with a coated-carbide tool under three lubricooling conditions: dry machining, minimum quantity of lubrication (MQL) and reduced quantity of lubrication (RQL). Three levels of feed rate, depth of cut and cutting speed were combined in a Box-Behnken design of experiments. Regression equations established the relationship between the controllable parameters and the response variables. The minimization of the surface roughness was achieved with the optimization of the experiment through Response Surface Methodology (RSM). Statistical analysis showed that the feed rate is the cutting parameter that most affects the finishing, and should be kept at low level to improve the surface quality. Lower surface roughness values were achieved with low cutting speed and depth of cut in RQL turning, as well as higher levels of cutting speed and depth of cut are required for dry and MQL machining. Experimental optimization through the desirability function proved that RQL turning is the best alternative for commercially pure titanium grade 4 finish turning because it provides good machined surface finish, as demonstrated in the optimization validation tests. Moreover, the reduced quantity of cutting fluid makes this lubricooling condition an environmentally friendly machining strategy compared to flood coolant condition.