Usinabilidade de implantes dentários de titânio utilizando a energia específica de corte

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1 Usinabilidade de implantes dentários de titânio utilizando a energia específica de corte Rodolfo da Silva Manera Alessandro Roger Rodrigues Hidekasu Matsumoto Juno Gallego Universidade Estadual Paulista (Unesp) Aldo Marcel Yoshida Rigatti Universidade de São Paulo (USP)

2 Resumo O uso crescente do titânio e suas ligas na fabricação de implantes decorre da presença simultânea da excelente biocompatibilidade, relativa baixa densidade, alta resistência mecânica e à corrosão. Ao contrário das excelentes características de aplicação, a usinagem de titânio é considerada ruim, sendo classificado como material de difícil usinabilidade. Este artigo visa determinar o efeito da velocidade de corte, profundidade de usinagem e revestimento da ferramenta na energia específica de corte, decorrente do roscamento de implantes dentários de titânio. Os testes foram realizados em um torno CNC, empregando fluido de corte integral em abundância e titânio ASTM F67 Grau 4 para a fabricação dos corpos de prova baseados em implantes dentários comerciais. Os resultados demonstraram que o aumento da velocidade de corte em 2,5x e o incremento da profundidade de usinagem por passe em 4x, associados ao uso de revestimento de TiNAl, causaram uma redução de 19 e 46%, respectivamente, na energia consumida para remover o mesmo volume de material. Com essa técnica, pode-se adequar os melhores parâmetros e ferramentas de corte na busca do melhor desempenho das ferramentas e produtividade.

3 1 Introdução O uso da força de usinagem e energia envolvidas nos processos de fabricação possibilita aprimorar projetos de máquinas, otimizar processos e monitorar desgastes da ferramenta em aplicações de automação. Além dessas propriedades aplicadas na esfera tecnológica e de gestão de produção, o estudo da força e energia requeridas na usinagem também permite avaliar novos materiais da peça, geometrias de quebra-cavaco, revestimentos e parâmetros de corte (Rodrigues, 2007). Para as medições das forças durante a usinagem, empregam-se células de carga piezelétricas ou extensométricas, sendo as primeiras de custo elevado. Uma solução de boa relação custo/benefício é a adoção de dinamômetros extensométricos, pois detêm uma excelente confiabilidade e flexibilidade na sua utilização. O projeto de um dinamômetro extensométrico é tido de baixa complexidade, mesmo em sua análise dinâmica. A aquisição dos esforços de corte utilizando dinamometria possibilita conhecer a energia específica de corte u [J/mm 3 ], também conhecida como pressão específica de corte k s [N/mm 2 ], levando em consideração o tipo de operação, os parâmetros de corte, o material usinado e as características da ferramenta de corte. A energia específica de corte quantifica quão difícil é remover cavado nas condições de usinagem, sendo considerada um índice de usinabilidade. Através de seu valor, que descreve a energia necessária por volume de material removido, é possível avaliar e comparar diferentes condições de corte (Salmon, 1992). Conhecer a usinabilidade dos materiais é muito importante, sobretudo daqueles considerados de difícil usinagem e de aplicações de alta tecnologia, como na área automotiva, aeronáutica e médica. Ligas metálicas destinadas a implantes estruturais, que desempenham função de suportar esforços, têm sido cada vez mais pesquisadas quanto às suas propriedades microestruturais, mecânicas e características de biocompatibilidade (Manera et al., 2009). Apesar do surgimento de inúmeros materiais poliméricos que poderiam realizar essas funções, o titânio e suas ligas representam ainda a grande gama de aplicações na área da implantodologia e muitos aspectos relacionados à sua usinabilidade ainda necessitam ser compreendidos. Este trabalho visou quantificar a influência da velocidade de corte, profundidade de usinagem e revestimento da ferramenta na energia específica de corte de implantes dentários de titânio. 2 Materiais e métodos Para os ensaios de roscamento, utilizou-se um torno CNC STAR, modelo SR-20RII, de cabeçote móvel tipo swiss-type, largamente empregado na usinagem de implantes dentários, e um dinamômetro extensométrico projetado para medição da força de usinagem (figura 1). (a) (b) Dinamômetro Fuso Principal Figura 1 (a) Estação de trabalho do torno e (b) dinamômetro montado na torre tipo gangue

4 O dinamômetro, usinado em aço AISI 8640 normalizado, foi projetado para suportar cargas de 900 N nas direções da força de corte e de avanço, com sistema de ligação em duas Pontes Completas de Wheatstone para cada componente de força. Para a aquisição das componentes da força de usinagem, usou-se um condicionador de sinais AC/DC, com frequência de resposta de 100 khz, conectado a uma placa conversora A/D. A frequência de aquisição de sinais adotada nos testes foi de 1 khz. A figura 2 apresenta a região instrumentada do dinamômetro e o arranjo do sistema de aquisição de sinais. (a) (b) Ferramenta de Corte Ligações Extensométricas Sistema de Aquisição Figura 2 (a) Região instrumentada do dinamômetro e (b) aquisição dos sinais de forças de usinagem A energia específica de corte foi calculada integrando-se numericamente a força de corte no tempo, multiplicando-se pela velocidade de corte e dividindo-se pelo volume de cavaco removido, que por sua vez foi determinado pela razão entre a densidade do material e a massa da peça medida antes e depois da usinagem. Para a execução das roscas externas no torneamento, recorreu-se a duas ferramentas de metal duro idênticas quanto à geometria, de codificação 16 ER 0.80 ISO (passo 0,8 mm com perfil completo), porém distintas apenas no revestimento, sendo uma com TiNAl e outra com TiN. A usinagem do titânio ASTM F67 grau 4, comercialmente puro, deu-se com uso de fluido de corte integral em abundância. Os corpos de prova possuem dimensão de 5 x 15 mm, com rosca externa M5 x 0,8 mm, e foram baseados nas características dimensionais e geométricas de um implante dentário comercial. As ferramentas foram ensaiadas em condição isenta de desgaste. Os testes foram realizados segundo a técnica de delineamento de experimentos para aplicação da Análise de Variância (Anova), através de um experimento fatorial completo, considerando uma réplica e nível de significância de 5%. A tabela 1 apresenta os fatores de controle (variáveis de entrada) e seus respectivos níveis (faixa de exploração das variáveis de entrada) para avaliar a resposta (energia específica de corte). O avanço adotado respeitou o passo da rosca do implante (0,8 mm) e a profundidade de usinagem apresentada na tabela é considerada em cada passe da rosca. Tabela 1 Parâmetros de corte avaliados nos ensaios Fatores de controle (Variáveis de entrada) Qtd Níveis Valor/Denominação Velocidade de corte (v c ) [m/min] Profundidade de usinagem (a p ) [mm] Revestimento da ferramenta (rev) 2 TiN TiNAl 3 Resultados e discussão Resposta (Variável de saída) Energia específica de corte [J/mm 3 ] A figura 3 apresenta o comportamento da energia específica de corte com a variação da velocidade de corte, profundidade de usinagem e tipo de revestimento da ferramenta.

5 10 Energia Específica [J/mm 3 ] ap ap = = µm m (TiNAl) (TiNAl) ap ap = = µm m (TiNAl) (TiNAl) ap ap = = µm m (TiNAl) (TiNAl) ap ap = = µm m (TiN) (TiN) ap ap = = µm m (TiN) (TiN) ap ap = = µm m (TiN) (TiN) Velocidade de Corte [m/mim] Figura 3 Energia específica de corte em função das variáveis de entrada (valores médios) É possível interpretar o gráfico da figura 3 com base nos três fatores de controle separadamente. Analisando-se inicialmente a influência da velocidade de corte (eixo x), constata-se que o aumento deste parâmetro minimiza a energia específica de corte, alcançando uma redução média de 19%. O aumento da profundidade de usinagem também causa o mesmo efeito de queda da energia específica, porém de forma mais pronunciada, atingindo uma redução média de 46%. A diminuição da energia específica de corte devido ao aumento da velocidade de corte e da profundidade de usinagem está associada ao aumento do ângulo de cisalhamento, à diminuição da espessura do cavaco e a consequente redução do seu grau de recalque, ou seja, a energia necessária para deformá-lo e removê-lo da peça é menor (Ferraresi, 1970). A influência do revestimento demonstra ser, ao mesmo tempo, pequena e aleatória, se comparada aos parâmetros de corte já analisados. Pelo exame da figura 3, verifica-se que o revestimento de TiN diminui sensivelmente a energia específica, mas este resultado não é expressivo e sinaliza depender da profundidade de usinagem e da velocidade de corte. Em outras palavras, a diferença entre energias específicas decorrentes dos distintos revestimentos é mais visível em baixas velocidades de corte e elevadas profundidades de usinagem. Outro resultado extraído da figura 3, não menos importante, valida os dados medidos neste trabalho, na medida em que obteve-se níveis de energia específica de corte para o titânio condizentes com os encontrados na literatura. Apesar de a energia específica ser dependente de diversos parâmetros de processo, ferramenta e material da peça, Kalpakjian (2000) declara que a energia específica do titânio varia entre 3,1 e 4,0 J/mm 3 na usinagem com ferramentas de geometria definida. Shaw (1997) afirma encontrar níveis próximos de 3,5 J/mm 3 e DeGarmo (1997) mediu na faixa de 4,9 a 5,5 J/mm 3. Dessa forma, para ap = 0,1 mm (mais condizente com o emprego de ferramentas de geometria definida), a figura 3 apresenta magnitudes de energia específica de corte entre 3,3 e 4,5 J/mm 3. A figura 4 traz os resultados qualitativos da Anova sobre a influência dos efeitos principais na resposta.

6 Figura 4 Avaliação dos efeitos principais na energia específica de corte Verifica-se, agora com base na análise de variância, que o aumento da velocidade de corte e da profundidade de usinagem reduz a energia específica de corte. Entretanto, a profundidade de usinagem foi o fator de controle que mais oscilou em torno da média, indicando ser significativo na resposta. O gráfico também aponta uma tendência ínfima, mas sem significância, do efeito benéfico do revestimento de TiN sobre a energia específica. Como forma de validar estatisticamente os efeitos dos fatores de controle na energia específica de corte, apresenta-se na tabela 2 o quadro Anova. Tabela 2 Quadro Anova para a energia específica de corte Fator Graus de Soma dos Quadrado Coeficiente Teste F Valor P Liberdade Quadrados Médio de Pearson v c 2 7,854 3,927 64,95 ~ 0,000-0,292 a p 2 73,028 36, ,95 ~ 0,000-0,856 rev 1 0,023 0,023 0,37 0,548-0,016 v c x a p 4 1,089 0,2723 4,50 0,008 v c x rev 2 0,4551 0,2276 3,76 0,039 a p x rev 2 0,5928 0,2964 4,90 0,017 Erro 22 1,3301 0,0605 Total 35 84,372 É possível ratificar, de fato, que os parâmetros de corte influentes na energia específica são a velocidade de corte e a profundidade de usinagem, uma vez que os respectivos valores de Probabilidade P são menores que o nível de significância adotado nos experimentos (P<α=0,05). Em outras palavras, a afirmação de que estes referidos fatores de controle causam diferenças significativas na energia específica tem uma confiabilidade de 95% ou, equivalentemente, a chance de a afirmação ser equivocada é de apenas 5%. Por outro lado, como esperado, o revestimento da ferramenta não foi influente na energia específica para a faixa de exploração dos parâmetros de corte adotados no trabalho, pois a Probabilidade P foi 54,8%, muito superior ao nível de significância considerado. A tabela 2 traz também o Coeficiente de Correlação de Pearson, que mede o grau e o tipo de relação entre as variáveis de entrada e saída. Valores próximos de zero indicam correlação fraca e próximos de ±1 significam correlação forte. Níveis positivos e negativos denotam, respectivamente, relação direta e inversa entre as variáveis. Assim, observa-se na tabela que todos os três fatores de controle têm relação inversamente proporcional com a energia específica de corte, isto é, o aumento da velocidade de corte e da profundidade de usinagem, associados ao uso do revestimento de TiN, diminui a energia específica de corte. No entanto, somente a profundidade de usinagem apresenta uma correlação considerada forte com a resposta.

7 Finalmente, a figura 5 mostra em forma gráfica as interações entre os efeitos principais também descritos na tabela 2. Figura 5 Efeito das interações entre os fatores de controle sobre a energia específica de corte Nota-se na tabela 2 que as interações entre todos os fatores de controle foram significativas, com as Probabilidades P 0,8, 3,9 e 1,7% menores que o nível de significância adotado de 5%. Este resultado também pode ser observado na figura 5, onde se constata intersecções entre as curvas nos gráficos com estas variáveis de entrada inter-relacionadas. Uma interação dos efeitos na Anova significa que a influência de um dado fator na resposta depende da variação dos níveis de outro ou mais fatores. De forma pontual, o revestimento isoladamente não causa variação da energia específica para os níveis dos fatores de controle adotados, mas em associação à velocidade de corte e à profundidade de usinagem, este fator passa a ser significativo. O emprego do TiNAl como revestimento na usinagem de titânio aponta ser uma escolha adequada, mas a literatura apresenta resultados divergentes sobre os reais benefícios dos revestimentos, como TiN, TiCN, Al 2 O 3, entre outros (Abele e Frölich, 2008). Assim, em razão da interação estatística do revestimento com as demais variáveis de entrada, encontrada neste trabalho, sugere-se ampliar a matriz experimental para que as interações sejam mais bem investigadas, visando obter novas conclusões sobre o real efeito dos revestimentos na energia específica de corte do titânio. 4 Conclusões Considerando a faixa de exploração dos parâmetros de corte adotada neste trabalho, as seguintes conclusões são delineadas após a análise dos resultados: - A energia específica de corte decresce com o aumento da velocidade de corte e profundidade de usinagem, que diminui o grau de recalque do cavaco e a energia para sua formação; - O revestimento de TiN sinaliza consumir menos energia específica que o TiNAl, sobretudo ao considerar sua interação com outros parâmetros de corte ou empregá-lo em outras faixas de parâmetros de corte e em condições de desgaste;

8 - O aumento da produtividade pode ser alcançado com a maximização dos principais parâmetros de corte, pois a energia específica diminui, mas deve-se buscar o ponto ótimo considerando o desempenho e os limites da ferramenta de corte quanto ao desgaste; - É possível quantificar a força de usinagem e obter a energia específica de corte utilizando dinamometria extensométrica com confiabilidade e baixo custo. 5 Referências bibliográficas 1] Abele, E.; Frölich, B. High speed milling of titanium alloys. Advances in Production Engineering and Management, Germany, Slovenia, v. 3, pp , ] DeGarmo, E. P.; Black, J. T.; Kohser, R. A. Fundamentals of chip type machining processes. In:. Materials and processes in manufacturing. 8. ed. EUA: Prentice-Hall, p ] Ferraresi, D. Fundamentos da usinagem dos metais. 1. ed. São Paulo: Edgard Blücher, p. 4] Kalpakjian, S.; Schmid, S. R. Manufacturing engineering and technology. USA: Prentice- Hall, p. 5] Manera, R. S.; Rodrigues, A. R.; Matsumoto, H.; Gallego, J. Avaliação da integridade superficial de implantes dentários de titânio. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO-COBEF, 5., 2009, Belo Horizonte-MG. Anais... Belo Horizonte-MG: ABCM, ] Rodrigues, A. R.; Coelho, R. T. Influence of the tool edge geometry on specific cutting energy at high-speed cutting. J. Braz. Soc. Mech. Sci. & Eng., Rio de Janeiro, v. 29, n. 3, ] Salmon, S. C. Fundamentals of grinding. In:. Modern grinding process technology. 1. ed. EUA: McGraw-Hill, p ] Shaw, M. C. Metal cutting principles. New York: Oxford Science Publications, p.

9 Autores Rodolfo da Silva Manera Aluno de graduação e pós-graduação do curso de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista (Unesp). Desenvolve trabalho de pesquisa na área de Usinagem desde 2006, quando ingressou no Grupo de Pesquisa em Usinagem, GPU. Tem experiência em torneamento, qualificação e especificação de ferramentas de corte e otimização de processo. Desenvolve pesquisa sobre usinabilidade do titânio e suas ligas aplicadas em implantes dentários desde Realiza, em parceria com demais integrantes do GPU, pesquisa em usinagem HSC, desempenho de fluidos de corte, temperatura de corte e integridade superficial. Alessandro Roger Rodrigues roger@dem.feis.unesp.br Engenheiro mecânico e mestre pela Unesp e doutor em Engenharia Mecânica pela USP, com doutorado sandwich pela Technische Universität Darmstadt - Alemanha. Atualmente é professor doutor da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Unesp. Tem experiência na área de usinagem, atuando principalmente em usinagem HSC, usinabilidade, integridade superficial e energia específica de corte. É lider do GPU e revisor dos periódicos International Journal of Advanced Manufacturing Technology e Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. Hidekasu Matsumoto hidekasu@dem.feis.unesp.br Engenheiro mecânico pela Unesp, mestre e doutor em engenharia mecânica pela Unicamp. Atualmente é professor doutor da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Unesp. Tem experiência na área de processos de fabricação, atuando principalmente em torneamento, fresamento, acabamento superficial, desgaste e vida da ferramenta de corte. É lider do GPU. Juno Gallego gallego@dem.feis.unesp.br Engenheiro mecânico pela Unesp, mestre e doutor em ciência e engenharia dos materiais pela UFSCar. Atualmente é professor doutor da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, UNESP. Tem experiência na área de engenharia de materiais e metalúrgica, atuando principalmente em aço baixo-carbono, solda por arco submerso, metal de solda, inclusões, ferrita acicular e caracterização microestrutural. É revisor dos periódicos Materials Research, Tecnologia em Metalurgia e Materiais, Soldagem e Inspeção e Journal of Aerospace Technology and Management. Consultor ad hoc e Pesquisador de Produtividade em Pesquisa do CNPq. É pesquisador do GPU. Aldo Marcel Yoshida Rigatti rigattialdo@usp.br Engenheiro mecânico e mestre pela Unesp e atualmente é doutorando na USP. Tem experiência na área de usinagem, atuando principalmente em força de usinagem e energia específica de corte envolvidas no processo de fresamento HSC. Universidade Estadual Paulista (Unesp) Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira (FEIS) Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) Grupo de Pesquisa em Usinagem (GPU) Av. Brasil Centro, Ilha Solteira, SP Universidade de São Paulo (USP) Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) Departamento de Engenharia de Produção (SEP)

10 Laboratório de Otimização de Processos de Fabricação (OPF) Av. Trabalhador São-Carlense, 400 Centro São Carlos, SP São Carlos-SP