Análise do acabamento no termoplástico semicristalino poli-éter-éter-cetona obtido pelo fresamento frontal em diferentes condições de corte e lubrirrefrigeração

Abstract

O poli-éter-éter-cetona (do inglês PEEK: poly-ether-ether-ketone), é um polímero termoplástico semicristalino de alto desempenho, e é definido como um plástico especial de engenharia. Suas principais características são o elevado ponto de fusão, baixa densidade, excelente rigidez, boa dureza e elevada resistência química e resistência ao desgaste. Esses fatores o tornam um possível substituto para metais em aplicações nas indústrias elétrica, eletrônica, automotiva, aeroespacial, marítima e na indústria médica, especialmente para fabricação de implantes ortopédicos e traumatológicos, devido a sua biocompatibilidade e biodegradabilidade. A textura superficial do PEEK é uma característica importante para determinadas aplicações na fabricação de componentes. No caso de implantes médicos, as geometrias complexas juntamente com a necessidade de baixas rugosidades superficiais, indicam a necessidades de estudos de processos mais adequados para atendimento a estes requisitos técnicos. Os processos de usinagem em geral e o fresamento frontal em particular são de importância considerável no sentido de preparar estes componentes para as devidas aplicações. Desta forma, este estudo investigou os efeitos de diferentes condições de corte e lubrirrefrigeração no fresamento frontal do PEEK. O estudo avaliou os perfis e os parâmetros de rugosidade (Ra, Rz, Rt), além das parcelas ativa e passiva da força de usinagem em diferentes condições de corte. Foi usada uma fresa integral de metal duro com revestimento de TiAlN, quatro arestas e diâmetro 20 mm, em um centro de usinagem vertical. Os meios lubrirrefrigerantes utilizados foram o ar comprimido refrigerado a −40ºC, a usinagem a seco e a aplicação de nanofluido comercial em mínima quantidade de lubrificação. Para o planejamento do processo e dos dados estatísticos coletados foi utilizado o projeto de experimento de Box-Behnken. Os resultados indicaram uma vantagem técnica para a usinagem a seco, em que foram produzidos os melhores acabamentos comparativamente aos demais meios lubrirrefrigerantes. Na avaliação dos fatores controláveis, ficou evidenciado que o avanço por dente é o parâmetro mais significativo na obtenção de uma baixa rugosidade. A otimização do processo e a avaliação das forças de usinagem foram etapas complementares do estudo.

Poly-ether-ether-ketone (PEEK) is a high-performance semicrystalline thermoplastic polymer that is defined as a special engineering plastic. Its main characteristics are its high melting point, low density, excellent rigidity, good hardness, high chemical resistance, and high wear resistance. These factors make it a possible substitute for metals in applications in the electrical, electronic, automotive, aerospace, maritime, and medical industries, especially for manufacturing orthopedic and trauma implants, due to its biocompatibility and biodegradability. The surface texture of PEEK is an essential characteristic for specific applications in the manufacture of components. In the case of medical implants, complex geometries, jointly with the need for low surface roughness, indicate the conditions for more appropriate processes to meet these technical requirements. Machining processes, in general, and face milling, in particular, are fundamental in preparing these components for their intended applications. Thus, this study investigated the effects of different cutting and lubricooling conditions on the face milling of PEEK. The research evaluated the roughness parameters (Ra, Rz, Rt), the roughness profiles, and the active and passive machining force components under different conditions. A solid TiAlN-coated carbide milling cutter with four cutting edges and a diameter of 20 mm was used as a cutting tool in a vertical machining center. The lubricooling conditions used were cooled compressed air at −40ºC, dry machining, and the application of commercial nanofluid in minimum quantity lubrication. The Box-Behnken experimental design was used for process planning and statistical data collection. The results show a technical advantage for dry machining, in which the best finishes were produced compared to other lubricooling conditions. In evaluating the controllable factors, it was evident that the feed per tooth is the most significant parameter in obtaining low surface roughness values. Process optimization and evaluation of machining forces were complementary steps to this study.