Um levantamento sistemático da otimização dos parâmetros do processo RUM e sua influência nas características das peças de níquel 718

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1716 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Esta pesquisa é focada na perfuração de superliga à base de níquel com broca de núcleo de metal diamantado e identificou os parâmetros significativos da usinagem ultrassônica rotativa que otimizam a taxa de usinagem (MR) e a qualidade da superfície. Quatro parâmetros gerais: material da peça, espessura da peça, material da ferramenta e tamanho da ferramenta; e quatro parâmetros RUM: rotacional da ferramenta, taxa de avanço, potência ultrassônica e tamanho do grão abrasivo da ferramenta foram testados contra a qualidade da superfície do corte. Os resultados indicaram que o valor máximo de MR de 0,8931mm3/s é obtido em maior nível de rotação da ferramenta, taxa de avanço, potência ultrassônica e nível moderado de tamanho de grão abrasivo do diamante. A rugosidade superficial mínima (Ra) 0,554 µm é observada em maior nível de rotação rotacional, valor moderado de taxa de avanço, poder ultrassônico e tamanho do grão abrasivo diamantado. Além disso, para funções de objetivo único e multiobjetivo, a abordagem de otimização de enxame de partículas (PSO) é usada para encontrar os valores ideais para os parâmetros do processo. Além disso, um microscópio eletrônico de varredura também é utilizado para verificar a superfície usinada após o RUM. Conclui-se que microfissuras são observadas na superfície usinada.

Com o desenvolvimento da tecnologia de motores de aeronaves, materiais compostos e difíceis de cortar estão sendo usados ​​cada vez mais nos novos motores. Esta descoberta mostra que há uma maior necessidade de técnicas de processamento e capacidades de componentes para a usinagem de materiais desafiadores.

As superligas à base de níquel são uma classe única de materiais metálicos com uma notável combinação de resistência a altas temperaturas, tenacidade e resistência à deterioração em condições corrosivas ou oxidantes1.

A Figura 1 mostra o avanço na capacidade de temperatura da superliga à base de níquel, que aumentou ano a ano devido ao processamento avançado, desenvolvimento da liga, uso de revestimentos de barreira térmica, esquemas de resfriamento inovadores e eficazes2. Os componentes do motor de aeronave, como carcaça, discos de compressor, anel de rolamento, pás, disco de turbina e outras peças que operam em alta temperatura, são feitos com superligas à base de níquel devido à sua alta resistência, forte resistência à corrosão, excelente resistência térmica propriedades de fadiga e estabilidade térmica3. As inúmeras superligas à base de níquel usadas em motores a jato estão listadas na Fig. 2.

O desenvolvimento da capacidade de temperatura de ruptura por fluência de superligas à base de Ni abaixo de 1100 ℃—137 MPa3.

Utiliza para superligas à base de níquel, que normalmente representam cerca de 50% do peso de um motor a jato.

Cinquenta por cento das peças do motor a jato são feitas por Inconel 718. Inconel é uma liga de Ni–Fe–Cr4. No entanto, a resistência à tração do Inconel 718 pode atingir 1393 MPa à temperatura ambiente. A usinagem do componente torna-se dura devido a sua usinabilidade. Possui usinabilidade de apenas 8 a 20% do aço, o que leva a um processamento ineficiente.

Além disso, a usinagem de superligas à base de níquel resulta em maior desgaste por oxidação da ferramenta, desgaste adesivo, desgaste mecânico e por difusão, o que reduz a vida útil da ferramenta. Por exemplo, a perfuração grosseira e fina de uma lâmina de superliga à base de níquel com um comprimento de perfuração médio requer mais tempo. Para usinagem de superligas, o desgaste frequente da ferramenta é considerado o fator direto que limita a eficiência do processamento, enquanto o aumento acentuado de temperatura causado pela superfície fortemente endurecida sendo usinada é um fator chave para acelerar o desgaste da ferramenta5.

Segundo Habeeb et al.6, a trinca induzida termicamente foi a principal razão para a falha da ferramenta em altas taxas de corte. Isso acontece porque as arestas estão sujeitas a uma quantidade significativa de choque térmico como resultado da alta temperatura provocada por altas velocidades de corte e mudança significativa de temperatura7. A furação convencional é comumente enfrentada com algumas dificuldades devido à localização do calor na zona de corte resultante da penetração da broca na peça de trabalho. A temperatura de corte afeta diretamente a precisão dimensional do furo, a qualidade da superfície e a vida útil da ferramenta. Lofti et ai. usou perfuração assistida por ultrassom na presença de lubrificação de quantidade mínima de nanofluido para aço 1045 e descobriu que, devido à redução do coeficiente de atrito causado pela aplicação de vibração ultrassônica, o modo de desgaste da superfície perfurada é alterado de tipo adesivo para abrasivo e formação de A borda superior é restrita resultando em melhor acabamento superficial8,9. Lofti et ai. desenvolveram um modelo mecanístico de deflexão da peça para o alumínio 7075. Com ultrassom assistido e sem ultrassom assistido foi realizada a furação da peça. Verificou-se que tanto na abordagem experimental quanto na teórica, com o aumento da taxa de avanço provoca um aumento na deflexão da peça. Isso se deve ao aumento dos valores da força de empuxo que foram significativamente influenciados pelo movimento de avanço10. Embora ferramentas de corte superduras como CBN e PCBN desempenhem alguns papéis na melhoria da eficiência de processamento de superligas à base de níquel, ferramentas de corte de cerâmica como matriz de alumina e Si3N4 ainda desempenham um papel importante. Verificou-se que a ferramenta CBN é capaz de usinar o Inconel 718 em comparação com a ferramenta de metal duro. No cenário atual, a usinagem ultrassônica rotativa (RUM) pode ser empregada para usinagem de materiais de estrutura complexa e resistente, como cerâmica, titânio, vidro, etc.11 A Figura 3 indica o método de processamento de RUM. Uma broca de núcleo rotativa com abrasivos de diamante ligados por metal é vibrada por ultrassom e alimentada em direção à peça de trabalho a uma taxa de avanço constante ou uma força constante (pressão). O líquido refrigerante bombeado através do núcleo da broca lava as limalhas, evita a obstrução da broca e a mantém resfriada. Existem dois mecanismos para o processo RUM: primeiro, pelo processo de vibração ultrassônica, é feita a remoção do material; em segundo lugar, através do tradicional processo abrasivo de diamante. Inclui o processo de martelamento, abrasão e extração para usinagem em RUM.