abstrato

O objetivo deste trabalho investigar o efeito do fluido de circulao (MWF) na concentrao

respostas de usinagem, incluindo a vida da ferramenta e desgaste, fora de corte, coeficiente de

atrito, morfologia chip e rugosidade da superfcie durante a usinagem de titnio com o uso do

sistema de pulverizao ACF. Cinco concentraes diferentes de 5 a 15% de um fluido de trabalho

de metais solveis em gua (MWF) foram aplicadas durante a rotao de uma liga de titnio, Ti-

6Al-4V. As propriedades termofsicas, tais como a viscosidade, tenso superficial e condutividade

trmica destas concentraes tambm foram medidos. Os resultados dos testes revelam que a

vida til da ferramenta em primeiro lugar se estende com o aumento da concentrao MWF e, em

seguida, cai com aumento adicional. Em baixas concentraes (por exemplo, 5%), uma falta do

efeito de lubrificao provoca a aumentar em um atrito maior na interface da ferramenta de chip,

resultando em lascamento grave e ferramenta de desgaste no nariz / flanco dentro de um curto

tempo de maquinagem. Por outro lado, a alta concentrao, o efeito de arrefecimento menor. Isso

aumenta a temperatura de corte e um mais rpido termal amolecimento / lascar / chan do material

da ferramenta e maior atrito nas zonas de interao ferramenta-chip-de peas, resultando em falha

da ferramenta cedo. Um bom equilbrio entre o arrefecimento e os efeitos de lubrificao parece

ser encontrado na concentrao MWF 10% uma vez que proporciona o melhor desempenho de

maquinagem. No entanto, usinagem com a inundao do lquido de arrefecimento observada

para realizar o melhor na faixa de 5-7%.

1. Introduo

Durante a maquinagem de titnio e suas ligas, temperatura da zona de corte elevado (acima

de 500 C) localizada na vizinhana da aresta de corte, e baixa condutividade trmica e forte

afinidade qumica de titnio causa o desgaste da ferramenta e, assim, mais rapidamente encurtar

a vida da ferramenta [1-8 ]. Metal fluido de trabalho (MWF) desempenha um papel vital na melhoria

do desempenho de usinagem. Variao da concentrao de um MWF provavelmente para

impactar o desempenho de usinagem, uma vez que altera as propriedades do fluido, tais como a

viscosidade, a tenso superficial, a condutividade trmica, etc, que influenciam os efeitos de

refrigerao e de lubrificao. Uma concentrao de 3-7% geralmente aplicado durante

aplicaes de usinagem de titnio [8-11].

No entanto, o efeito da concentrao MWF e as propriedades termofsicas correspondentes

sobre o desempenho de maquinagem de titnio no foi bem compreendida. A fim de dissipar o

calor a partir da interface ferramenta de chip durante a maquinagem de titnio, um

atomizationbased

Fluido de corte (ACF) sistema de pulverizao foi recentemente proposto pelos autores [12].

Com o sistema de pulverizao ACF, gotculas de tamanho uniforme so produzidos e arrastado

por um gs highvelocity para produzir um jato axisymmetric focalizado de gotculas [12-17]. Durante

a maquinagem, este jacto dirigido para a interface da ferramenta de chip para formar uma pelcula

fina de fluido move-se rapidamente capazes de penetrar de forma eficaz para a interface da

ferramenta de chip. A quantidade de MWF utilizado com o sistema de pulverizao de ACF

significativamente menor (10-20 mL / min), em comparao com a que a refrigerao convencional

(1-4 l / min), e as tcnicas de arrefecimento de alta presso (2-7 L / min) [6-8,18]. Mas, uma

quantidade substancial do efeito de refrigerao fornecido atravs do gs highvelocity, ou seja, a

mistura de ar-CO2 (razo 66:34), uma vez que dispensa a cerca de 1-2 C [12,13].

Como tal, existe a possibilidade de melhorar o efeito de lubrificao atravs do aumento da

concentrao MWF da gama convencional de 3-7% [8-11]. Isso ir garantir um bom equilbrio entre

o arrefecimento e os efeitos de lubrificao para um melhor desempenho de usinagem com o

sistema de pulverizao ACF. O objectivo deste estudo investigar experimentalmente o efeito da

concentrao MWF e as suas propriedades, incluindo viscosidade, tenso superficial e

condutividade trmica sobre o desempenho de maquinagem durante a maquinagem de uma liga

de titnio, Ti-6Al-4V usando o sistema de pulverizao de ACF. Concentrao de um MWF solvel

em gua foi variou de 5% a 15%. Respostas de usinagem de sada foram avaliadas em termos de

vida til da ferramenta e desgaste, fora de corte, coeficiente de atrito, a morfologia de cavacos e

acabamento superficial. Experimentos de Usinagem com inundao refrigerante tambm foram

realizados para comparao de desempenho. O resto do artigo est organizado da seguinte forma.

A Seo 2 apresenta experimentao que inclui a descrio da unidade de pulverizao

ACF utilizado, a preparao MWF para usinagem e usinagem configurar e procedimento. No ponto

3, os resultados experimentais so apresentados e analisados para determinar a melhor

concentrao da MWF em gua para o sistema de pulverizao de ACF que influenciam o

desempenho de maquinagem de titnio, principalmente, a vida til da ferramenta. Concluses

especficas so derivadas no ponto 4.

2. Experimentao

2.1. Unidade de pulverizao ACF

A unidade do sistema de pulverizao ACF utilizado durante a maquinagem de Ti-6Al-4V

mostrado na Fig. 1. O sistema consiste em: (i) um atomizador ultra-snico vibrationbased; (Ii) MWF

reservatrio com um tubo de entrega; (Iii) a unidade de bico; (Iv) do bocal de distribuio de gs de

alta presso / tubo na unidade nozzlespray. No sistema de pulverizao ACF, um sistema de ar

lowvelocity (por exemplo, tubos ou ventilador) instalado atrs da ponta atomizador para ajudar a

facilitar o deslocamento das gotculas de lquido atomizadas para uma melhor arrastamento pelo

gs highvelocity [12-14]. No entanto, o atomizador (130 kHz, WS130K50 Modelo de Sonaer Inc.,

Nova Iorque [19]) utilizado no presente sistema produz um tamanho mdio de gotculas de 11,8

milmetros, que muito leve e se move a uma velocidade de cerca de 0,7 m / s. Esta velocidade

das gotculas tambm favorvel dentro do alcance de 1,5 m / s sugerido por Rukosuyev et ai.

[14]. Portanto, o sistema de ar lowvelocity no necessria na presente unidade de pulverizao

ACF. Uma vez que o fluido atomizado, as gotculas Microsize mover para a frente para a unidade

de bico que consiste de gotcula exterior coaxial e bicos de gs interno. Os dimetros de sada de

thedroplet bocal e o bico de gs highvelocity so projetados para serem 18,8 milmetros e 1,6 mm,

respectivamente. Ambos os bocais so considerados como tendo um declive de convergncia e 4

0.75, respectivamente, e o bico de gs interna foi colocado 5 mm de distncia do ponto de sada

do bocal de gotculas, a fim de evitar a divergncia das gotculas [12-14].

2.2. Preparao MWF

A MWF S-1001 watersoluble de Laboratrios de Hangsterfer, Inc., foi utilizado para estudar

o efeito da concentrao MWF durante a usinagem de Ti-6Al-4V. Cinco concentraes diferentes

a 5%, 7%, 10%, 12% e 15% foram consideradas. A viscosidade, tenso superficial e

condutividade trmica destes MWFs foram medidas usando um viscosmetro Brookfield, uma

placa de Wilhelmy tensimetro superfcie, e uma KD2 propriedades trmicas Pro analisador,

respectivamente. Ambos os instrumentos foram calibrados antes das medies. As propriedades

do fluido foram obtidos temperatura ambiente (20-22 C) e em 2 C. Temperatura de 2 C foi

considerado porque o gs highvelocity, ou seja, mistura de ar e CO2 em relao volumtrica de

66:34 dispensa a cerca de 1-2 C [12,13]. A viscosidade, tenso superficial e condutividade

trmica do MWF S1001 a vrias concentraes esto listados na Tabela 1.

2.3. Configurao e processo de usinagem

Um torno Mori Seiki Frontier L1 CNC foi usada para transformar experincias em um

cilndrico de Ti-6Al-4V barra de tamanho 175 mm x 325 milmetros, como mostrado na Fig. 2. tipo

Triangular microcristalina no revestido de carboneto insere K313 grau ISO de Kennametal

(TPGN220408) foi utilizado como material de ferramenta e colocado em uma haste Kennametal

padro. A geometria da ferramenta foi definido da seguinte forma: 5 ngulo de inclinao, ngulo

de folga 11, 60 maior ngulo de ponta, 0,8 mm de raio nariz. A haste da ferramenta foi fixado com

um dinammetro Kistler 3component vigor (tipo 9121) para capturar os dados de fora de corte

atravs de um sistema de aquisio de dados National Instrument (SCB68) integrado com o

software LabVIEW.

As condies de corte foram selecionados para ser 80 velocidade m / min de corte, 0,2 mm

/ rev taxa de alimentao, e 1 milmetro de profundidade de corte [2-8]. Como pode ser visto na Fig.

2, a unidade de pulverizao ACF foi colocado no interior da mquina sobre uma armao de metal

que fixado com o torno de revlver. O quadro permite que a unidade de pulverizao ACF de ser

ajustada a um ngulo de impacto desejado (wrt ferramenta ancinho), orientao, distncia de

pulverizao, e local distncia [12]. A unidade de pulverizao foi dirigido sobre a face da

ferramenta de inclinao e da sua linha central foi orientado ao longo do bordo de corte maior (isto

, 60 com o eixo de trabalho) para fazer incidir as gotas na direco da aresta de corte. A distncia

do ponto foi ajustada para ser cerca de 7 mm.

Mistura de ar-CO2 que foi usado como o gs highvelocity foi entregue em cerca de 26 m / s

(medida por um computador de mo digitalanemometer Omega a uma distncia de pulverizao

35 milmetros a ~ 10,3 bar de presso). A taxa de fluxo do fluido e do ngulo de impacto foram

escolhidos para serem de 20 mL / min e 35, respectivamente. Com estas condies de

pulverizao ACF, o regime de difuso (nmero Weber no dimensional, Ns 10 e grupo, Ky

17) ocorre na face ancinho [12-15]. The generator for the atomizer was located outside the machine

chamber for easy turn on/off. O reservatrio MWF foi colocada no topo da tampa da mquina (no

exterior da mquina), de modo que o fluido pode fluir automaticamente

com a ajuda da gravidade. No caso de inundao do lquido de arrefecimento, a MWF foi entregue

a um caudal de 1,5 L / min e a presso de cerca de 4 bar, com a mesma orientao do bocal. Para

todos os testes de corte, as ferramentas foram retiradas da primeira configurao, a 4 minutos e,

em seguida, em cada 2 min ou 1 min de intervalo para observar o progresso do desgaste at que

a terra desgaste mximo do flanco atingiu 0,6 milmetros de acordo com a norma ISO. Utilizando o

microscpio ptico QuadraCheck 300, o desgaste de flanco ferramenta foi medida e fotografias dos

ancinho ferramenta flanco e rostos foram capturados. Os valores mdio e mximo rugosidade da

superfcie (Ra e Rz, respectivamente) foram medidos usando uma rugosidade testador porttil TR

100.

A rugosidade da superfcie foi medida a partir de 1 min, com um intervalo de 2 min, at que

a ferramenta falhar. Considerando-se cinco concentraes diferentes da MWF watersoluble listados

na Tabela 1, virando-se os ensaios sobre Ti-6Al-4V foram performedwith a utilizao do sistema de

pulverizao de ACF. As respostas de sada foram medidos em termos de vida da ferramenta e ao

desgaste, a fora de corte e coeficiente de atrito, a morfologia de chip, e a rugosidade da superfcie

so discutidos abaixo. Rodar testes com inundao refrigerante tambm foram realizados para

comparao de desempenho.

3. Resultados e discusso

3.1. Vida til da ferramenta e desgaste

A Tabela 2 mostra a vida da ferramenta para duas corridas repetidas de teste e o seu valor

mdio para cada concentrao do MWF. Uma anlise em intervalos de confiana de 95%, revela

que a concentrao do MWF altamente sensvel vida til da ferramenta. O MWF com qualquer

uma inferior (Eg5%) ou maior (12%, 15%) concentrao no ajudou a melhorar o desempenho

durante a vida til da ferramenta de viragem de titnio. Figo. 3 mostra a progresso da largura

mxima desgaste de flanco com o tempo de maquinagem. V-se que o desgaste mximo do flanco

ferramenta de usinagem aps 4 minutos quase o mesmo para todas as concentraes usadas.

No entanto, a taxa de desgaste da ferramenta consideravelmente mais lenta para 7% e 10%, em

comparao com concentraes que tanto para um inferior a 7% e uma concentrao mais elevada

do que 10%. Isto provavelmente devido fenda trmica / amolecimento do material da ferramenta

com o tempo de maquinagem.

No incio de corte, o aumento da temperatura nas zonas de interaco ferramenta de chip

da pea de trabalho para uma ferramenta de fresco pequena. Alm disso, a zona de corte recebe

os efeitos de refrigerao e de lubrificao, que ajudam a mitigar o aumento da temperatura de

corte e ao atrito. Devido a isto, amolecimento trmico que provoca a deteriorao da resistncia

mecnica do material da ferramenta no significativa. Assim,

a diferena de desgaste de flanco ferramenta para todas as concentraes MWF observado para

ser insignificante at 4 min.

No entanto, como a maquinagem progride, amolecimento trmico nas regies de interaco

ferramenta cresce continuamente e os efeitos de refrigerao e de lubrificao fornecidos pelo

MWF se vital. Em baixas concentraes, devido a uma maior quantidade de gua, o MWF possui

comparativamente uma tenso de superfcie mais elevada (ver Tabela 1). Isto melhora a difuso

do fluido sobre as faces da ferramenta e leva a um melhor arrefecimento das regies de interaco

[16,17]. Alm disso, outras propriedades trmicas

de gua, viz., a condutividade trmica (ver Tabela 1), o calor especfico e coeficiente de

transferncia convectiva de calor so muito superiores a qualquer MWF / petrleo [20], o que

tambm ajuda a reduzir a temperatura de corte. Por outro lado, a capacidade de lubrificao de

baixa concentrao de MWF como reduz a viscosidade diminui de forma significativa.

Isto provoca um aumento no coeficiente de atrito e a temperatura de corte nas regies de

interaco ferramenta de chip da pea de trabalho. Note-se que uma concentrao mais elevada

do MWF em gua aumenta a viscosidade que conduz a uma melhoria da capacidade de lubrificao

e atrito, no entanto, reduz desfavoravelmente o seu efeito de arrefecimento. Isto tambm resulta

em maior temperatura de corte e, eventualmente, uma maior taxa de desgaste do material da

ferramenta. Portanto, o MWF tanto com a parte inferior e a concentrao mais elevada de chumbo

para aumentar a temperatura no corte e resultar em falha da ferramenta precoce.

Fotografias das faces inclinadas e de flanco ferramenta representadas na fig. 4 (a) - (e) para

cada concentrao MWF suporta o fenmeno descrito acima. Observa-se a partir destas fotografias

que, aps o tempo de maquinao de 6 min, a gravilha na primeira face da ferramenta ancinho

diminui com o aumento da concentrao MWF 5-10% e, em seguida, aumenta com o aumento at

15%. O rake ferramenta em ambas as concentraes extremas tirados severamente, enquanto a

concentrao de 10% observada para os que tm menos lascar.

3.2. Fora de corte e coeficiente de atrito

Dados de fora durante a maquinagem foram recolhidas para compreender o efeito da

concentrao sobre a MWF resultante fora de corte e coeficiente de atrito entre a ferramenta e o

chip. Os dados da fora e do coeficiente de atrito em funo do tempo de corte para diferentes

concentraes MWF so apresentados na Tabela 3 e a Fig. 5, respectivamente. A fora resultante

de corte o valor da raiz quadrada da soma do quadrado dos trs componentes da fora.

O coeficiente de frico calculado a partir da relao entre a tangente e os componentes

de fora para a alimentao de corte ortogonal [7]. Os dados de fora e do coeficiente de atrito

mostram que a resultante de corte fora e coeficiente de atrito para o MWF na concentrao de

10% so os mais baixos entre todas as concentraes testadas at 5 min de corte. Como pode ser

visto na Fig. 4 (c), a gravilha na face da ferramenta de rake com esta concentrao o mnimo, em

comparao com que a outras concentraes. Isso ajuda a proteger a ponta, da ponta da

ferramenta e ferramenta de flanco de desgaste mais rpido, e prolonga a vida til da ferramenta.

concentrao so os mais baixos entre todas as concentraes testadas at 5 min de corte.

Como pode ser visto na Fig. 4 (c), a gravilha na face da ferramenta de rake com esta concentrao

o mnimo, em comparao com que a outras concentraes. Isso ajuda a proteger a ponta, da

ponta da ferramenta e ferramenta de flanco de desgaste mais rpido, e prolonga a vida til da

ferramenta.

3.3. Chip morfologia

Durante a usinagem, formao de cavacos e processos de evacuao na zona de corte para

todas as condies tambm foram monitorados at a vida da ferramenta. Observou-se que tanto o

menor eo maior MWFs concentrao produziu fichas contnuas para uma quantidade significativa

de tempo de corte. Fichas recolhidas em vrios intervalos de corte so mostrados na Fig. 6 (a) -

(e). No caso de 5% MWF concentrao, a quantidade de aparas contnuos foi observado como

sendo cerca de 30%, ao passo que cerca de 50% no caso de a concentrao de 15%. Fichas

contnuas foram observados para ser produzida por algum tempo no incio de corte e no final da

vida til da ferramenta.

Para outros casos, foram observados mais do que 95% fritas quebradas. Fritas quebrados

durante a usinagem so sempre favorveis. Aparas contnuos que so acumuladas na cuttingzone

tornar obstculo para a entrada corrente de gotculas de lquido e o gs highvelocity conduzindo

reduo da quantidade de movimento do jacto de pulverizao, bem como a quantidade de gotas

de fluido. Como a zona de corte no pode acessar tanto a MWF eo gs highvelocity, o atrito nas

ferramenta de chip de peas zona interao novos aumentos. Assim, a morfologia de chip durante

a viragem de Ti-6Al-4V, com a utilizao do sistema de pulverizao ACF tambm desempenha

um papel importante no aumento da temperatura de amolecimento trmico e do material da

ferramenta que, eventualmente, afectar ancinho lascar e uma falha da ferramenta precoce.

3.4. A rugosidade superficial

A fim de compreender o efeito da concentrao MWF sobre a qualidade da superfcie

maquinada, os valores de mdia e mxima de rugosidade de superfcie tambm foram obtidos,

como pode ser visto na Fig. 7 (a) e (b), respectivamente. Observa-se que, excepto para a

concentrao de 15%, os valores de rugosidade so consistentes at cerca de 5-6 minutos para

todas as outras concentraes. Isto por causa da fora resultante significativamente menor

coeficiente de atrito e de corte durante este perodo de corte, como pode ser visto da tabela 3 e

Fig. 5, respectivamente. No entanto, a rugosidade observada a aumentar com a usinagem.

Quando o lascamento comea na face de corte, que, em seguida, progride para a rea do flanco e

nariz da ferramenta. A ponta da ferramenta afetada, em seguida, determina os valores de

rugosidade superficial. Como pode ser visto na Fig. 4 (a) - (e), que, ao mesmo tempo de

maquinagem, a ponta da ferramenta altamente afectada pelas diferentes concentraes MWF.

Para o caso de a concentrao de 15%, chanfrar severa observada. A resultante fora de

corte e o coeficiente de atrito para este caso so encontrados para ser consideravelmente mais

elevado logo aps 3 min de corte. Isto resulta numa deteriorao precoce da superfcie maquinada.

Por outro lado, a rea afectada pela concentrao de 10% o mnimo, e assim oferece uma

superfcie maquinada melhorada ao longo de todo o tempo de corte. Os valores de rugosidade para

a superfcie maquinada indica mais uma vez que os efeitos de arrefecimento e lubrificao dadas

pelo MWF na concentrao de 10% susceptvel de produzir os melhores resultados, em

comparao com todas as outras concentraes usadas neste estudo.

3.5. Comparao de desempenho com a inundao do lquido de arrefecimento

Experincias de usinagem tambm foram conduzidas sob inundao refrigerante para

observar o efeito da concentrao sobre MWF vida da ferramenta e para o comparar com que o

sistema de pulverizao de ACF. Ferramenta vida mdia, a 5%, 7%, 10%, 12% e concentraes

MWF so encontrados para ser 11, 10,5, 8,5 e 7,5 min, respectivamente. Estes resultados mostram

que a melhor concentrao MWF para a condio de arrefecimento de inundao se situar entre 5

e 7%, que diferente para o sistema de pulverizao de ACF.

Isso pode ser devido ao facto de que a mistura ar-CO2 (dispensa a 1-2 C [12]) que usado

como gs de highvelocity no sistema de pulverizao ACF tambm contribui para a aco de

arrefecimento durante a maquinagem. Como a quantidade do MWF utilizado neste sistema

limitado a apenas cerca de 10-20 ml / min, no deve haver efeito lubrificante suficiente a partir da

MWF. O estudo sugere que existe um bom equilbrio entre os efeitos de refrigerao e lubrificao

para a concentrao de 10% de um MWF para a obteno de melhor desempenho de usinagem

com o sistema de pulverizao ACF.

4. Concluses

Experimentos de usinagem Ti-6Al-4V foram realizados com a aplicao de um sistema de

pulverizao de fluido de corte atomizationbased (ACF) para investigar os efeitos do fluido de

circulao (MWF) concentrao no desempenho de usinagem. Concentrao de um MWF solvel

em gua foi variada no intervalo de 5-15%. As seguintes concluses so feitas:

1) a baixa concentrao MWF (por exemplo, 5%), uma falta do efeito de lubrificao devido a uma

menor viscosidade provoca maior atrito na interface da ferramenta de chip, resultando em

lascamento grave e ferramenta nariz / desgaste de flanco comparativamente dentro de um curto

tempo de maquinagem. Em contrrio, a menor quantidade do efeito de arrefecimento em

concentrao elevada (por exemplo, 12% ou 15%) aumenta a temperatura de corte e, assim, uma

mais rpida de amolecimento trmico / chipping / chanfrar do material da ferramenta e maior atrito

nas zonas de interaco ferramenta de chip de pea de obra resultando em falha da ferramenta

precoce. A vida mxima da ferramenta foi encontrado a estar na concentrao MWF 10%.

2) Uma quantidade significativa de aparas contnuos produzidos com o uso de tanto o menor eo

maior MWFs concentrao. Para todas as outras trs condies, os chips foram quebrados

observada a ser produzida. Fritas quebrados durante a usinagem so preferveis para facilitar o

acesso das gotculas MWF para a zona de corte.

3) Os valores mdios e mximos rugosidade superficial verificou-se ser o menos na concentrao

MWF 10% entre todas as concentraes testadas.

4) Um bom equilbrio entre o arrefecimento e os efeitos de lubrificao parece ser encontrado na

concentrao MWF 10% durante themachining de titnio com a utilizao do sistema de

pulverizao de ACF. No entanto, a melhor faixa de concentrao MWF para inundao refrigerante

encontrado para ser entre 5 e 7%.

Agradecimentos

Os autores agradecem a TechSolve, Inc., Cincinnati, OH para financiar esta investigao.

Os autores tambm gostaria de agradecer ao Sustentvel Centro de Tecnologia de Illinois e grupo

de pesquisa do professor Jacobi da UIUC para fornecer instalaes instrumentais durante a

medio das propriedades fsicas do fluido de circulao.