Surface texturing of cutting inserts for turning of aluminium – Study of cutting forces, wear, chip formation and tool-chip contact

No mundo da manufatura, a forma como o metal é moldado frequentemente depende da nitidez e da durabilidade da ferramenta que realiza o corte. Quando uma máquina fatia um metal macio e pegajoso como o alumínio, o material tende a aderir à lâmina, de forma muito semelhante ao modo como a argila úmida gruda nos dedos de um escultor. Essa adesão cria fricção, gera calor e faz com que a ferramenta se desgaste rapidamente ou quebre. Para resolver isso, engenheiros tentam há muito tempo alterar a superfície da ferramenta de corte, esperando que uma textura específica possa ajudar o metal a deslizar mais facilmente. A ideia é que, ao esculpir padrões minúsculos na superfície da ferramenta, pode-se controlar como o metal é removido, reduzir a força necessária para o corte e manter a ferramenta afiada por mais tempo. Isso não se trata apenas de fazer uma lâmina melhor; trata-se de tornar todo o processo de construção de carros, aviões e maquinários mais eficiente e menos desperdiçador.

Uma equipe de pesquisadores na França aplicou recentemente esse conceito usando uma ferramenta muito precisa: um laser de femtossegundo. Este é um laser que dispara pulsos de luz tão curtos que duram apenas um quadrilionésimo de segundo, permitindo esculpir padrões microscópicos em materiais duros sem queimá-los. A equipe focou em insertos de carbeto de tungstênio não revestidos, que são as pequenas pontas substituíveis usadas em tornos para usinar peças de alumínio. Eles criaram três tipos diferentes de texturas superficiais no topo plano dessas ferramentas. Uma textura consistia em ondulações extremamente finas, semelhantes a ondas, conhecidas como estruturas de superfície periódicas induzidas por laser. Outra apresentava linhas paralelas maiores. A terceira era uma combinação de ambas, misturando as pequenas ondulações com pequenos sulcos circulares. Eles então colocaram essas ferramentas para trabalhar cortando uma liga de alumínio específica em um ambiente úmido, onde um fluido refrigerante é borrifado na zona de corte, e compararam os resultados com uma ferramenta padrão, lisa.

Os resultados revelaram que a textura da ferramenta fez uma diferença dramática na durabilidade da ferramenta. Quando os pesquisadores mediram o desgaste no lado da ferramenta que esfrega contra a peça acabada, descobriram que a ferramenta com as pequenas ondulações em forma de onda desgastou quase 92% menos do que a ferramenta lisa. A ferramenta com o padrão misto de ondulações e sulcos também teve um desempenho excepcional, reduzindo o desgaste em quase 80%. No entanto, a ferramenta com as linhas paralelas maiores não se saiu tão bem; de fato, ela desgastou mais rápido do que a ferramenta lisa. Isso sugere que o tamanho e a forma da textura importam imensamente, e que simplesmente tornar uma superfície mais rugosa nem sempre é a solução. Os pesquisadores também observaram que a ferramenta com as pequenas ondulações impediu que o alumínio grudasse em sua superfície tanto quanto as outras ferramentas, o que é um fator fundamental para evitar que a ferramenta seja danificada.

Embora o desgaste no lado da ferramenta tenha melhorado significamente, as forças necessárias para empurrar a ferramenta através do metal contaram uma história ligeiramente diferente. A força de corte, que é o empurrão principal necessário para fatiar o metal, permaneceu amplamente a mesma para a maioria das ferramentas texturizadas em comparação com a lisa. A única exceção foi a ferramenta com o padrão misto de ondulações e sulcos, que exigiu cerca de 7% menos força para cortar. No entanto, a força que empurra a ferramenta lateralmente, conhecida como força de avanço, aumentou para todas as ferramentas texturizadas. Os pesquisadores acreditam que isso acontece porque as texturas alteram a forma como o cavaco de metal pressiona a ferramenta, criando um tipo diferente de fricção. Curiosamente, a ferramenta com as linhas maiores fez com que o metal sofresse cisalhamento, ou divisão, em um ângulo mais íngreme do que as outras ferramentas, o que alterou a forma do cavaco de metal produzido.

Para entender por que essas texturas funcionaram da maneira que funcionaram, a equipe também realizou simulações computacionais que modelaram o contato entre a ferramenta e o cavaco de metal. Essas simulações mostraram que as pequenas ondulações e os padrões mistos permitiram que a ferramenta mantivesse uma área de contato maior com o metal sem ficar presa, o que ajuda a explicar por que o desgaste foi muito menor. As simulações também sugeriram que as texturas podem criar pequenos canais que ajudam a remover as minúsculas partículas de detritos de desgaste que se formam durante o corte. Os pesquisadores observaram que a rugosidade inicial da ferramenta, causada pelo processo de retificação antes do uso do laser, também desempenhou um papel em como o metal deslizou pela superfície. Isso significa que o desempenho final de uma ferramenta texturizada é uma combinação dos novos padrões e da condição superficial subjacente.

O estudo conclui que, embora essas ferramentas texturizadas por laser nem sempre reduzam a principal força de corte, elas oferecem uma maneira poderosa de estender a vida útil da ferramenta e melhorar a qualidade do corte. Os melhores resultados vieram das ferramentas com as ondulações mais finas ou com a combinação de ondulações e sulcos, que reduziram drasticamente o desgaste e a adesão. Os pesquisadores sugerem que essa abordagem poderia eventualmente substituir a necessidade de revestimentos químicos especiais em ferramentas de corte, que costumam ser caros e podem perder o fio da lâmina. Ao usar um laser para criar esses padrões, os fabricantes poderiam potencialmente economizar dinheiro nos custos das ferramentas e reduzir o impacto ambiental da produção de novas ferramentas. Embora o estudo tenha sido conduzido em uma ferramenta simples, não revestida, para observar o efeito puro da textura, as descobertas apontam para um futuro onde a superfície de uma ferramenta de corte é cuidadosamente projetada para lidar com os desafios pegajosos da usinagem de metais macios.