Investigation into the material removal mechanism and surface integrity of Zr-based bulk metallic glass via rotary ultrasonic vibration grinding

Resumo Técnico: Investigação do Mecanismo de Remoção de Material e Integridade Superficial de Vidros Metálicos Amorfo à base de Zr via Retificação por Vibração Ultrassônica Rotativa

Definição do Problema
Os vidros metálicos amorfos (BMGs) à base de Zr possuem resistência mecânica, tenacidade à fratura e biocompatibilidade superiores, tornando-os ideais para aplicações aeroespaciais e biomédicas de precisão. No entanto, sua estrutura amorfa metaestável carece de mecanismos de deslizamento de discordâncias, tornando-os altamente suscetíveis à instabilidade de bandas de cisalhamento localizada sob tensão de corte. A retificação convencional (CG) induz frequentemente defeitos superficiais severos, incluindo microfissuras, esfoliação e acúmulo de material (pile-up) ao longo das bordas dos sulcos. Além disso, a sensibilidade térmica dos Zr-BMGs significa que os campos de alta temperatura gerados durante a retificação convencional podem romper a barreira de energia cinética de cristalização, causando cristalização térmica localizada e a perda das propriedades intrínsecas do material. Esses fatores criam um gargalo para o alcance da manufatura de alta fidelidade, uma vez que os métodos convencionais lutam para equilibrar a eficiência de usinagem com a qualidade superficial e frequentemente necessitam de extensivo pós-processamento.

Metodologia
Este estudo emprega a Retificação Assistida por Vibração Ultrassônica Rotativa (RUVAG) para investigar o comportamento de remoção de material e a integridade superficial de Zr-BMGs. A pesquisa combina caracterização experimental com simulações pelo método dos elementos finitos (FEM).

• Configuração Experimental: Os experimentos foram conduzidos em um centro de usinagem de cinco eixos DMG DMC Monoblock 60 equipado com um fuso acionado por piezoelétrico operando a 19.332 Hz. Foi utilizada uma roda de retificação de diamante eletrodepositado (10 mm de diâmetro).
• Parâmetros: Um método de controle de variável única foi adotado para analisar os efeitos de três parâmetros de processo fundamentais: velocidade do fuso (1000–4000 rpm), profundidade de corte (5–17 μm) e taxa de avanço (10–40 mm/min).
• Caracterização: A morfologia da superfície foi analisada via Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) e microscopia de ultra-profundidade de campo para observar padrões de risco, acúmulo de material e microfissuras. A rugosidade superficial ($R_a$) foi medida quantitativamente. As forças de corte foram adquiridas usando um dinamômetro Kistler.
• Simulação: Um modelo de corte ortogonal 2D foi desenvolvido utilizando ABAQUS/Explicit. A peça de trabalho foi modelada usando o modelo constitutivo de Johnson-Cook e o critério de dano cumulativo para simular a formação de cavaco e a distribuição de tensão. A ferramenta foi tratada como um corpo rígido.

Principais Contribuições e Resultados

1. Melhoria da Qualidade Superficial:

   • Redução da Rugosidade: A RUVAG produziu consistentemente uma rugosidade superficial menor em comparação com a retificação convencional na maioria das faixas de parâmetros. A rugosidade superficial média obtida via RUVAG foi aproximadamente 21% menor do que a da CG.
   • Mitigação de Defeitos: Sob RUVAG, defeitos severos como o acúmulo de material ao longo das bordas dos sulcos, quebra local e sulcos descontínuos foram significativamente atenuados. A morfologia da superfície exibiu uma distribuição de riscos mais uniforme e redução nas flutuações de pico a vale.
   • Sensibilidade aos Parâmetros:
     • Velocidade do Fuso: A RUVAG mostrou a melhoria mais significativa em velocidades baixas (por exemplo, uma redução de ~57,2% em $R_a$ a 1000 rpm), embora o benefício não tenha sido estritamente monotônico em todas as velocidades (ex: a 3000 rpm, a CG ocasionalmente apresentou rugosidade ligeiramente inferior).
     • Profundidade de Corte: Mesmo em altas profundidades de corte (17 μm), a RUVAG manteve uma textura densa e uniforme, enquanto a CG exibiu severo acúmulo viscoplástico e topografia irregular.
     • Taxa de Avanço: À medida que as taxas de avanço aumentavam, a CG sofria uma deterioração rápida da integridade superficial devido ao acoplamento termo-mecânico. A RUVAG manteve baixos níveis de rugosidade mesmo em altas taxas de avanço (40 mm/min) ao suprimir o acúmulo plástico lateral.

2. Mecanismo de Remoção de Material:

   • Corte Intermitente: Diferente do contato contínuo na CG, a RUVAG introduz variações periódicas no estado de contato entre o grão abrasivo e a peça de trabalho. Isso cria uma dinâmica de corte intermitente.
   • Distribuição de Tensão: Simulações de FEM revelaram que a RUVAG transforma a distribuição de tensão equivalente de um estado localizado contínuo (na CG) para um estado intermitente e flutuante. Isso reduz a concentração de tensão local e o grau de localização da banda de cisalhamento.
   • Características de Força: As forças de corte sob RUVAG exibiram variações pulsadas periódicas, particularmente na direção vertical, indicando um processo distinto de descarregamento entre os ciclos de contato. Isso permite a liberação de tensão e a difusão de calor, reduzindo a força de corte média e o atrito.

3. Efeitos Térmicos e Mecânicos:
   O estudo sugere que o mecanismo de descarregamento de alta frequência da vibração ultrassônica fornece uma "janela de relaxação térmica", impedindo o acúmulo de calor que leva à cristalização térmica. Adicionalmente, a discretização da camada de corte em volumes menores reduz a carga instantânea sobre o material, promovendo uma transição para a fratura frágil em vez do acúmulo dúctil.

Significância
O artigo afirma que este trabalho esclarece o mecanismo de remoção de material de Zr-BMGs sob vibração ultrassônica rotativa, demonstrando que a RUVAG é um paradigma eficaz para abordar as dificuldades de usinagem associadas a este material. Ao alterar o estado de contato e o campo de tensão, esta tecnologia permite a retificação de alta eficiência e baixo dano sem depender fortemente de pós-processamento. Os achados fornecem uma base teórica e uma referência técnica para a seleção racional de parâmetros de processo para alcançar a manufatura de alta fidelidade de componentes de Zr-BMG, contribuindo para o quadro mais amplo de usinagem de ligas amorfas de difícil processamento.