Estudo experimental e numérico do processo de furação em ligas de titânio com vista à melhoria do seu desempenho funcional e vida.

Abstract

Este trabalho tem como objetivo o estudo experimental e numérico do processo de furação numa liga de titânio (Ti-6Al-4V) com vista à melhoria do seu desempenho funcional e vida. Serão estudadas as tensões residuais induzidas por este processo, que são muitas vezes responsáveis pela falha de componentes mecânicos ou então pela sua melhoria em serviço e consequente aumento de tempo de funcionamento, quando convenientemente geradas. A técnica que utilizaremos para determinar tensões será baseada na técnica do furo incremental, que é uma técnica de medida largamente aceite para a determinação de tensões residuais. Os efeitos termo-mecânicos gerados durante o corte do material podem induzir tensões residuais indesejadas. Para quantificar estas tensões induzidas tem sido desenvolvido uma metodologia híbrida experimental e numérica, baseada na técnica do furo incremental. Nesta metodologia, provetes do material em estudo são submetidos a estados de tensão bem conhecidos durante a furação, fazendo-se uso do princípio da sobreposição, por forma a eliminar o efeito das tensões residuais iniciais, ou seja, que possam existir antes da furação. A quantificação das deformações induzidas pelo processo de furação, e desse modo as tensões induzidas, é conseguida comparando-se as curvas de relaxação de deformação em função da profundidade obtidas durante a calibração experimental com as obtidas por simulação numérica de todo o processo experimental. Assume-se que as curvas numéricas são curvas ideais em que o material é removido sem contacto físico. Assim, a diferença entre as curvas de relaxação de deformação em função da profundidade obtidas experimentalmente e numericamente permitirá estimar as deformações induzidas pelo próprio processo de furação. Neste trabalho em particular estudou-se o efeito do processo de furação que normalmente é usado com a aplicação normalizada da técnica do furo incremental para a determinação de tensões residuais na maioria dos materiais metálicos. Nesses processos de furação são usadas fresas sujeitas a velocidades de corte muito elevadas (acima das 100.000 rpm) devido ao acionamento por turbinas a ar comprimido. Modificando-se a pressão do ar de acionamento da turbina, foi possível estudar o efeito da velocidade de corte. Por outro lado, selecionando uma dada velocidade de corte, foram comparados os resultados obtidos com diferentes ferramentas de corte. Embora os resultados não possam ser conclusivos relativamente às diferenças observadas ao nível da variação da velocidade de corte usada, constata-se que as deformações induzidas pelo processo de corte foram surpreendentemente reduzidas na gama das altas velocidades utilizadas. De facto, devido em grande parte à baixa condutividade térmica das ligas de titânio, é bem conhecida a dificuldade de furação destas ligas no que respeita à fraca precisão dimensional final dos furos. Neste sentido, a indústria aeronáutica, por exemplo, tem procurado melhorar este tipo de processo de fabricação. A metodologia usada neste trabalho pode ser uma ferramenta importante nesse contexto.

This work aims the experimental and numerical study related to the drilling process in a titanium alloy (Ti-6Al-4V), in order to the improvement in its functional performance and life. It will be studied residual stresses induced by this process, which are sometimes responsible for the lack of mechanical components, or by its improvement in service and consequent increase of lifetime, when generated in a convenient way. The technique we shall use in order to access to stresses will be based on the hole-drilling method, a measure process widely accepted for the residual stresses determination. The effects thermo-mechanical generated during the cutting of the material can create undesired residual stresses. In order to quantify these drilling-induced stresses it has been settled an experimental and numerical hybrid methodology, based on the hole-drilling method. Through the use of this methodology, samples of the material in study are submitted to stresses stages, well -known during the drilling, using the overlap principle, aiming to abolish the initial effect of residual stresses which can exist before the drilling process. The quantification of deformations induced by the drilling process, and this way the induced stresses, is achieved comparing the relaxation curves of deformation, according the depth reached during the experimental calibration, with those obtained by numerical simulation of the whole experimental process. It is assumed that numerical curves are ideal, being the material removed without any physical contact. Therefore, the difference between relaxation curves of distortion according to the depth experimentally and numerically reached, will allow to evaluate the deformations induced by the drilling process. Particularly, in this work, it was studied the effect caused by the drilling process, which, usually, is used with the normalized application of the drilling-induced method looking for the residual stresses determination in the majority of metal materials. In those drilling processes, milling cutters are used, subjugated to very high speeds (more than 100.000 rpm), due to the activation by turbines of compressed air. Changing air pressure for feeding the actuation turbine for drilling, the study of the consequence of the cutting speed was allowed. On the other hand, selecting a given cutting speed, the results obtained were compared with different cutting tools. Although the results cannot be conclusive concerning the differences observed related to the variation of cutting speed used, it was found that the deformations induced by the cutting process were amazingly reduced in the range of the high speeds used. In fact, mainly due to the low thermal conductivity of titanium alloys, is recognized the difficulty of drilling these alloys, in respect to the final weak dimensional accuracy of the holes. In this regard, the aeronautic industry, for example, has been looking for the improvement of this sort of manufacturing process. The methodology used through this work can be an important contribution in this context.