A Importância da Utilização de Fluido de Corte em Usinagem.

Nos processos de usinagem, as elevadas tensões mecânicas e o respectivo aumento da temperatura causadas pela remoção de material a partir da ação das ferramentas podem diminuir a vida útil da ferramenta e até mesmo danificar irremediavelmente a peça e a ferramenta. Para resolver esse problema, é utilizado fluido de corte, que proporciona refrigeração e lubrificação, reduzindo a temperatura de trabalho e aliviando as tensões mecânicas na interface peça e ferramenta. Nesse sentido, o fluido de corte é um elemento importante para preservar a qualidade da peça acabada e aumentar a vida útil da ferramenta, permitindo ainda que a operação de usinagem seja realizada em velocidades mais rápidas, aumentando a produtividade sem afetar a qualidade. No entanto, o uso do fluido de corte também tem desvantagens.

Além do custo de sua aquisição, o fluido de corte traz problemas ambientais relacionados ao seu descarte e à contaminação que pode provocar a outros produtos (como cavacos de metal) além problemas de segurança e de saúde dos trabalhadores. Besides to the cost of its purchase, the cutting fluid causes problems related to its disposal and contamination that can be caused to other products (such as metal chips), as well as workers' health and safety problems. To minimize the amount of cutting fluid used, the minimum quantity of lubrication (MQL) method was developed, where the application of cutting fluid is performed in fogging, as opposed to conventional flooding lubrication. Thus, the use of cutting fluid is minimal, maintaining the advantages of lubrication and machining quality. Key-words: Cutting Fluid; Machining; Lubrification; MQL.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Tipos básicos de ferramentas de corte 16 Figura 2 – Torneamento 18 Figura 3 – Furação (A: movimento de corte; B: movimento de avanço) 19 Figura 4 – Fresamento (fresamento frontal ou de face) 20 Figura 5 – Óleo mineral como fluido de corte, uso por inundação. USO MÍNIMO DE FLUIDO DE CORTE 36 5. CONsiderações finais 42 6. REFERÊNCIAS 43 1. INTRODUÇÃO A usinagem é o processo de modelagem de metal mais difundido na indústria de fabricação mecânica, responsável por dar a forma ou o acabamento superficial desejado a um material – normalmente uma peça – através do uso de máquinas e ferramentas. O conjunto de processos de usinagem tem significativa importância na indústria como um todo por sua alta capacidade de precisão. Para isso, os principais processos de usinagem e o papel do fluido de corte nesses processos são apresentados no capítulo 1.

As características desejadas de um fluido de corte para as principais aplicações de usinagem são abordadas no capítulo 2. Finalmente, o capítulo 3 traz um estudo dos métodos de determinação da quantidade mínima de fluido de corte na usinagem. Este trabalho se classifica como uma revisão de literatura, ou seja, uma pesquisa feita a partir do levantamento de referenciais teóricos analisados e publicados em meios escritos e eletrônicos, tais como livros, artigos científicos, e sites da internet. Foram pesquisados livros reconhecidos da área de engenharia de fabricação e usinagem para o estudo dos conceitos referentes aos principais métodos de usinagem. Com a evolução dos processos produtivos e a crescente fragmentação das cadeias produtivas, garantir a qualidade e a intercambialidade dos componentes é cada vez mais importante.

Na usinagem, várias operações ocorrem em uma sequência planejada para obter os melhores resultados. As três operações mais comuns de usinagem são torneamento, perfuração e fresagem (NOVASKI, 2013). Como já dito, a usinagem é um processo de fabricação muito comum e versátil. Assim, é produzir vários tipos de peça pela combinação dessas operações. as ferramentas são disponíveis em uma grande variedade de materiais. Os mais comuns são o metal duro (carbetos) e aços rápidos (ou HSS, high speed steel). Os aços rápidos são normalmente utilizados para fresamento e outras operações de usinagem de uso geral, enquanto os carbetos são utilizados para usinar metais mais resistentes e difíceis de cortar. A velocidade de corte, a taxa de avanço e a profundidade de corte são todos parâmetros a serem considerados na usinagem, que influenciam na qualidade dimensional e de acabamento da peça.

Por sua vez, o material da peça, o material da ferramenta e as dimensões influenciarão na definição dos parâmetros de velocidade de corte, taxa de avanço e a profundidade de corte (CHILDS et al. Isso é válido para as principais operações de usinagem, torneamento, fresamento e furação, as quais serão descritas nos parágrafos a seguir. O torneamento envolve a rotação da peça de trabalho enquanto a ferramenta de corte se move em um movimento linear. O resultado é uma peça de forma cilíndrica. Um torno é a máquina que realiza todas as operações de torneamento (MACHADO et al. Como a maioria das operações de usinagem, o torneamento pode ser feito de maneira manual ou automaticamente. Figura 2 –Torneamento Fonte: Jomal Metalomecânica.

A perfuração cria um furo redondo em uma peça de trabalho. Uma prensa perfuradora ou furadeira é projetada para realizar a perfuração, mas esse processo também pode ser realizado utilizando uma fresadora. Os pedaços de resíduos de metal produzidos ao usinar uma peça são chamados de cavacos ou chips. O formato da broca ajuda os cavacos a se afastarem da peça, mantendo-a livre de detritos (CHILDS et al. Em casos onde é exigida uma qualidade superior, o alargamento deve sempre ser executado. Segundo Machado et al. as principais operações de furação são: • Furação; • Furação com pré-furo; • Furação escalonada; • Furação de centro; • Alargamento cilíndrico; • Alargamento cônico; • Rebaixamento; • Ferramenta para trepanação; • Furação profunda com broca canhão.

As operações de fresamento envolvem o uso de ferramentas rotativas multicortantes para remover o material de uma peça de trabalho. O fato de a ferramenta utilizada ter múltiplas arestas de corte confere altas taxas de remoção de material na operação (MACHADO et al. Este é o método preferido para o fresamento CNC (CHILDS et al. O fresamento é muitas vezes melhor aplicado como um processo secundário a uma peça já usinada, pois ajuda a definir características da peça acabada e serve como uma camada de acabamento. Pode ainda ser utilizado como um processo secundário para adicionar recursos como furos, ranhuras e contornos. As principais operações realizadas no fresamento são listadas a seguir. Nessas operações, a ferramenta gira enquanto a peça, presa à mesa, é realiza os movimentos de avanço longitudinal e transversal.

e MACHADO et al. Os fluidos de corte são usados ​​na usinagem para melhorar a vida e o funcionamento das ferramentas de corte, em todas as operações de usinagem. São também um fator chave na produtividade da oficina e na produção de peças usinadas de qualidade (CHILDS et al. O fluido de corte pode ser aplicado a uma interface de peça e ferramenta de corte por meio de aplicação manual, inundação ou névoa. A aplicação manual consiste simplesmente em um operador usando um recipiente, como uma lata de óleo, para aplicação do fluido de corte à peça/ferramenta de corte. Já os sistemas de reservatórios centralizados podem conter centenas de galões de fluido de corte que são distribuídos para as máquinas-ferramentas individuais por meio de um sistema de bomba e tubulação.

Antes do retorno do fluido ao reservatório central, ele é passado por um sistema de filtragem projetado para remover contaminantes, como lascas de metal, cavacos, e outras partículas (MACHADO et al. A principal função do fluido de corte é o controle de temperatura através de refrigeração e lubrificação. A aplicação de fluido de corte também melhora a qualidade da peça, removendo continuamente finos e cavacos de metal da ferramenta e da zona de corte. O calor produzido durante a usinagem afeta diretamente o desgaste da ferramenta, portanto reduzir a temperatura da ferramenta de corte é importante, pois uma pequena redução na temperatura aumentará bastante a vida útil da ferramenta de corte (MACHADO et al. A formação destas arestas aumenta o atrito e altera a geometria da ferramenta.

Isso, por sua vez, afeta a qualidade da peça, geralmente resultando em um acabamento superficial ruim além de inconsistências no tamanho da peça. Os fluidos de corte diminuem a ocorrência de arestas acumuladas, fornecendo uma interface química entre a máquina-ferramenta e a peça. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS DE CORTE Nenhum fluido em particular possui propriedades de refrigeração e lubrificação adequadas para todas as aplicações de usinagem em metal. Os óleos minerais simples, sem presença de água, fornecem a melhor lubrificação, mas possuem pouca capacidade de resfriamento. Os fluidos químicos para processamento de metais possuem aditivos que impedem a corrosão pela formação de filmes invisíveis e não porosos. São dois os tipos de filmes invisíveis e não porosos que podem ser produzidos pelos fluidos de corte para a usinagem de metais, de modo a impedir a ocorrência de corrosão: os filmes polares e passivantes (CHILDS et al.

Os filmes polares consistem em compostos orgânicos (como aminas e ácidos graxos) que formam um revestimento protetor na superfície do metal, bloqueando as reações químicas de oxidação. Os filmes passivantes são formados por compostos inorgânicos contendo oxigênio (como boratos, fosfatos e silicatos). Esses compostos reagem com a superfície do metal, produzindo um revestimento fino que inibe a corrosão. Além disso, em algumas operações, a transparência ou clareza pode ser uma característica desejada para um fluido de corte. Fluidos transparentes permitem que os operadores vejam a peça mais claramente durante as operações de usinagem. A viscosidade é também uma propriedade importante em relação ao desempenho e manutenção de fluidos. Fluidos de menor viscosidade permitem que partículas e sujeira se estabilizem na suspensão.

A remoção desses contaminantes melhora a qualidade do fluido que recircula através do sistema de usinagem, portanto este é um fator que pode afetar a qualidade do produto, a vida útil do fluido e a produtividade da oficina (BYRNE; DORNFELD; DENKENA, 2003). Um fluido deve ter um alto ponto de inflamação para evitar problemas associados a danos causados ​​pelo calor, como produção de fumaça ou a ignição dos fluidos. Além disso, operações de metal de alta velocidade, como retificação, podem atomizar o fluido, criando uma névoa fina que pode ser um risco de inalação para os operadores das máquinas-ferramenta. A nebulização também cria um ambiente de trabalho sujo, revestindo o equipamento e a área de trabalho ao redor. Fluidos pouco voláteis e que não sejam facilmente nebulizados fornecem condições de trabalho mais seguras para o operador da máquina (EZUGWU, 2004).

A escolha do fluido de usinagem correto para a operação pode ser confusa e demorada. A seguir, é apresentada uma descrição das vantagens, desvantagens e aplicações de cada categoria de fluido de corte para trabalho em metal. Os óleos simples, assim chamados porque não contêm água, são basicamente óleos minerais de petróleo, embora possam ter aditivos projetados para melhorar algumas propriedades específicas. Geralmente, os aditivos não são necessários para as tarefas mais fáceis, como a usinagem leve de metais ferrosos e não ferrosos. Para aplicações mais severas, os óleos simples podem conter agentes umectantes (normalmente até 20% de óleos graxos) e aditivos de pressão extrema, como compostos de enxofre, cloro ou fósforo (CHILDS et al. Esses aditivos melhoram a capacidade do óleo de revestir a ferramenta de corte, a peça de trabalho e os finos metálicos.

Eles também resistem ao ranço, já que as bactérias não podem se multiplicar a menos que a água contamine o óleo. As desvantagens dos óleos minerais simples incluem más propriedades de dissipação de calor e maior risco de inflamabilidade. Eles também podem criar névoa ou fumaça, o que resulta em um ambiente de trabalho inseguro para o operador da máquina, principalmente quando as máquinas têm blindagem ineficiente ou quando as oficinas têm sistemas de ventilação inadequados. Os óleos simples geralmente são limitados a operações de baixa temperatura e baixa velocidade e, além disso, o filme oleoso deixado na peça de trabalho dificulta a limpeza, geralmente exigindo o uso de solventes de limpeza (CHILDS et al.

Fluidos de corte de óleo simples de diferentes viscosidades estão disponíveis para cada classe de serviço. Os óleos solúveis oferecem melhores capacidades de resfriamento e boa lubrificação devido à mistura de óleo e água. Eles também tendem a deixar uma película de óleo protetora nos elementos móveis das máquinas-ferramenta. Os óleos solúveis são um produto de uso geral adequado para operações de usinagem leve e média, envolvendo uma variedade de aplicações ferrosas e não ferrosas (CHILDS et al. Embora eles não correspondam à lubrificação oferecida pelos óleos simples, os agentes umectantes e os aditivos (como compostos de cloro, fósforo ou enxofre) podem estender sua gama de aplicações de usinagem para incluir operações pesadas.

A maioria das operações de corte manipuladas com óleos simples (como brochar, trepanar e roscar) pode ser realizada usando óleos solúveis para serviços pesados. Os fluidos de corte químicos dependem de agentes químicos para realizar a lubrificação e respectiva redução de atrito. Esses aditivos também melhoram a molhabilidade (umectação) do fluido (MACHADO et al. A temperaturas acima de aproximadamente 200°C, esses aditivos se tornam ineficazes e são utilizados aditivos lubrificantes (compostos de cloro, fósforo e enxofre). Esses compostos reagem com o metal recém-usinado para formar camadas químicas que atuam como um lubrificante sólido e protegem contra a soldagem durante operações de usinagem para serviços pesados. Fluidos contendo esse tipo de lubrificantes reduzem significativamente o calor gerado durante as operações de corte e retificação.

A usinagem também pode ser realizada em velocidades e avanços mais altos ao usar sintéticos complexos. Sintéticos simples e complexos formam soluções transparentes quando misturados em um tanque de refrigerante, permitindo que os operadores da máquina vejam a peça de trabalho. Ainda segundo Machado et al. fluidos sintéticos emulsificáveis ​​contêm compostos adicionais para criar propriedades de lubrificação semelhantes aos óleos solúveis, permitindo que esses fluidos funcionem como lubrificante e refrigerante durante aplicações de usinagem para serviços pesados. Devido à sua molhabilidade, bom resfriamento e lubrificação, os sintéticos emulsificáveis ​​são capazes de lidar com operações de retificação e corte para trabalhos pesados ​​em ligas resistentes, difíceis de usinar e de alta temperatura.

Embora os sintéticos sejam menos suscetíveis aos problemas associados a fluidos à base de óleo, condições de agitação moderada a alta ainda podem causar espuma ou gerar névoas finas. Várias questões de saúde e segurança, como nebulização e dermatite, também existem com o uso de produtos sintéticos. Os ingredientes adicionados para melhorar a lubrificação e a molhabilidade de produtos sintéticos emulsificáveis ​​podem aumentar a tendência desses fluidos a emulsificar óleo usado e deixar resíduos semi-cristalinosem sistemas de máquinas (principalmente quando misturados com água dura). Os fluidos sintéticos são facilmente contaminados por outros fluidos da máquina, como outros óleos lubrificantes, e precisam ser monitorados e mantidos para serem usados ​​com eficácia (CHILDS et al.

Como o nome indica, os semissintéticos (também chamados de fluidos semi-químicos) são essencialmente um híbrido de óleos solúveis e sintéticos. Como os sintéticos, os semissintéticos são adequados para uso em uma ampla gama de aplicações de usinagem e são substancialmente mais fáceis de manter do que os óleos solúveis. Eles fornecem boa lubrificação para aplicações de moderadas a pesadas. Eles também têm melhores propriedades de resfriamento e umedecimento do que os óleos solúveis, permitindo aos usuários cortar em velocidades mais altas e taxas de avanço mais rápidas. Sua viscosidade também é menor que a de um óleo solúvel, proporcionando melhores propriedades de sedimentação e limpeza. Os semissintéticos fornecem melhor controle sobre ranço e crescimento bacteriano, geram menos fumaça e névoa de óleo (porque contêm menos óleo que os óleos solúveis ou simples), têm maior longevidade e boa proteção contra corrosão.

• Dureza da água afeta a estabilidade; • Pode se nebulizar, gerar espuma e dermatite; • Pode emulsificar óleo velho; • Pode formar resíduos; • Pode ser facilmente contaminado por outros fluidos da máquina. Fonte: elaboração do autor a partir de CHILDS et al. e MACHADO et al. USO MÍNIMO DE FLUIDO DE CORTE Como visto nos capítulos anteriores, o uso de fluido de corte é importante para o processo de usinagem, contribuindo para uma melhor qualidade dimensional e de acabamento e permitindo o trabalho com velocidades de corte maiores. Porém, o uso de fluido de corte também implica em algumas desvantagens, pois além de existir um custo associado, o fluido de corte pode implicar em problemas ambientais e de saúde dos trabalhadores. Além disso, os sistemas exigem monitoramento e tratamento constantes para controlar fluidos, concentrações e para evitar o crescimento de fungos e bactérias.

Atualmente, em todo o mundo, os fabricantes consomem mais de dois bilhões de litros de fluido de corte à base de água e óleo direto a cada ano, o que cria uma demanda significativa por matéria-prima não renovável a um custo de milhões de dólares (TAI et al. Para resolver esses problemas, tem havido um interesse crescente em realizar operações de usinagem a seco ou quase seco. A tecnologia MQL foi, portanto, desenvolvida para este fim. A usinagem MQL aplica o fluido de corte na forma de uma neblina (com ar comprimido) e o aplica através do eixo de interface da peça/ferramenta para máxima lubrificação e resfriamento. Os principais benefícios do MQL incluem custos, consumo de energia, ambiente e reciclagem de cavacos, que serão resumidos individualmente nos parágrafos a seguir.

Figura 8 – Usinagem MQL (à esquerda) e por inundação (à direita). Fonte:www. orelube. com Os custos associados ao fluido de corte, incluindo equipamentos, tratamento, descarte e segurança, são fatores importantes no custo geral de um componente usinado. Com novos avanços no eixo e no design da ferramenta, a usinagem MQL pode alcançar maiores rendimentos do que a abordagem de lubrificação por inundação em muitas aplicações, especialmente na usinagem de alumínio. No entanto, o MQL requer maior uso de ar comprimido em comparação com a usinagem por inundação, o que pode reduzir o benefício de energia obtido através do tempo de ciclo e melhorias no bombeamento de fluido de corte. Segundo Boubekri e Shaikh (2015), a usinagem com MQL é geralmente vista como um processo de baixa emissão devido a uma redução considerável da exposição de fluido de corte no ar inalado ou na pele em comparação com a usinagem úmida.

O nível de emissão é proporcional à quantidade de fluido que entra no sistema. Dessa forma, otimizar a vazão para um determinado processo de usinagem pode melhorar ainda mais a qualidade do ar. Durante a usinagem MQL, os cavacos de metal produzidos são quase secos e praticamente limpos. Os cavacos quase secos não requerem nenhum tratamento e, portanto, trazem mais receita líquida para a planta. Uma variedade de sistemas de hardware foi desenvolvida para aplicativos MQL. Dependendo da configuração de aplicação no local de corte, os lubrificantes podem ser aplicados com um bico externo ou um canal interno do eixo passante. O suprimento externo é fácil de usar, implementar e não requer ferramentas especiais, no entanto, é inadequado para usinagem profunda porque as ferramentas estão escondidas dentro ou atrás da peça de trabalho.

Além disso, os sistemas de canal duplo têm menos tempo de atraso na troca de ferramentas entre cortes ou na taxa de fluxo durante um corte, o que é benéfico para os centros de usinagem que executam várias ferramentas. O design das ferramentas é outro fator de desenvolvimento do MQL, pois a névoa de óleo deve atingir todas as arestas de corte, principalmente em ferramentas de vários passos. Por exemplo, quando aplicadas ao MQL, as portas existentes dos furos de líquido de arrefecimento de uma broca precisam ser redesenhadas para ajudar a fornecer neblina para toda a face da ferramenta para acúmulo e prevenção de danos térmicos. Garantir a lubrificação adequada de todas as arestas é muito mais difícil no MQL do que para ferramentas trabalhando sob inundação e geralmente envolve testes de tentativa e erro para determinar os tamanhos de passagem de fluido necessários (ZEIMANN et al.

Para confirmar a geração adequada de névoa, um teste de padrão de pulverização é um método simples e comum na indústria para examinar a ferramenta. permite a produção de peças de geometrias complexas a um baixo custo. Nos processos de usinagem, as elevadas tensões mecânicas e o respectivo aumento da temperatura causadas pela remoção de material a partir da ação das ferramentas podem gerar diminuir a vida útil da ferramenta e até mesmo danificar irremediavelmente a peça e a ferramenta. Para resolver esse problema, é utilizado fluido de corte, que proporciona refrigeração e lubrificação. A refrigeração proporcionada pelo fluido de corte reduz a temperatura de trabalho e a lubrificação alivia as tensões mecânicas na interface peça e ferramenta.

Nesse sentido, o fluido de corte é um elemento importante para preservar a qualidade da peça acabada e aumentar a vida útil da ferramenta. September 2015. BYRNE, G. DORNFELD, D. DENKENA, B. Advancing Cutting Technology. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, v. n. January 2004. MACHADO, A. R. Introdução à Engenharia de Fabricação Mecânica, 2ª Ed. Edgard Blucher Ltda. São Paulo, 2013. NOUARI, M. LIST, G. n. June 2007. SOUZA, A. C. NOVASKI, O. SHIH, A. J. Minimum Quantity Lubrification (MQL) in Automotive Powertrain Machining. Procedia CIRP, v. p.