O controle dos cavacos é uma preocupação constante na usinagem. Em geral, cavacos longos são indesejados por provocarem prejuízos diversos, principalmente ligados à lubrirrefrigeração da zona de corte. O acúmulo de cavacos na região peça-ferramenta produz o que se costuma chamar de “efeito guarda-chuva”, o qual impede o acesso do fluido às regiões que devem ser lubrirrefrigeradas (interfaces cavaco-ferramenta e peça-ferramenta), aumentando a temperatura de corte e reduzindo a vida da ferramenta. Adicionalmente, cavacos longos podem provocar danos à peça, à ferramenta de corte e à máquina operatriz, além de levar a paradas indesejadas na linha de produção (BORDIN et al., 2017). Assim, quanto mais fragmentados forem os cavacos produzidos durante a operação de corte, melhor, principalmente em operações de corte contínuo, como é o caso do torneamento.
Via de regra, as investigações sobre usinagem criogênica de diversos materiais têm mostrado que o uso de nitrogênio líquido como fluido de corte produz cavacos fragmentados, e isso estaria ligado à sua capacidade de se aproximar a temperatura de transição dúctil-frágil dos metais.
Bordin et al. (2017) estudaram o efeito de vários métodos de lubrirrefrigeração (LN2, Seco e Jorro com óleo mineral) na forma dos cavacos produzidos na usinagem da liga de titânio Ti-6Al-4V. A figura 16 mostra os resultados obtidos para diferentes avanços e demais parâmetros de corte constantes (vc = 80 m/min e ap = 0,25 mm).
Figura 16. Efeito do avanço e da condição de lubrirrefrigeração na forma dos cavacos obtidos na usinagem da liga Ti-6Al-4V.
Fonte: adaptado de Bordin et al. (2017).
Observa-se uma variação considerável na forma dos cavacos em função da condição de corte. No torneamento a seco, os cavacos apresentaram forma de fita rosqueada para o avanço de 0,1 mm/rot e alongada e helicoidal quando o avanço foi aumentado para 0,2 mm/rot, como pode ser visto nas figuras 16b e 16e. No caso da usinagem por jorro, foram formados cavacos tubulares emaranhados para o avanço de 0,1 mm/rot e longos e tubulares para o avanço de 0,2 mm/rot, conforme mostram as figuras 16c e 16f. Neste caso, nos testes realizados com aplicação do fluido de corte por jorro e com menor avanço (0,1 mm/rot), foram produzidos cavacos mais curtos do que no torneamento a seco com o mesmo avanço. De acordo com os autores, isso aconteceu por causa da ação mecânica exercida pelo jato do fluido de corte nesta condição de lubrirrefrigeração. Ainda segundo os autores, um melhor controle de cavacos foi obtido ao aplicar LN2. A justificativa apresentada foi que a baixa temperatura do LN2 reduz a plasticidade do material em usinagem, diminuindo a capacidade de deformação sem fratura deste. As figuras 16a e 16d mostram os cavacos formados na usinagem criogênica com avanços de 0,1 e 0,2 mm/rot, respectivamente. Em ambos os casos, nenhum emaranhamento de cavacos se formou ao redor do porta-ferramenta, melhorando a retirada destes da área de trabalho.
Leadebal Jr. et al. (2018) apresentaram resultado semelhante na usinagem criogênica do aço ferramenta AISI D6 temperado e revenido. Eles observaram uma
tendência de fragmentação dos cavacos nas condições em que houve aplicação de LN2 na zona de corte, como pode ser visto na figura 17.
Figura 17. Tipos de cavacos com aplicação de LN2 na superfície de saída (SS), superfície de
folga (SF), em ambas as superfícies (SS/SF) e Seco.
Fonte: adaptado de Leadebal Jr. et al. (2018).
Já Kaynak e Gharibi (2018) apresentaram resultados diferentes relativos ao tipo de cavaco formado na usinagem do aço AISI 4140 sob as condições de lubrirrefrigeração seco, LCO2, LCO2+MQL e LN2. A barra cilíndrica tinha 50 mm de diâmetro e 80 mm de comprimento quando laminado a frio com dureza de 25 HRC. Ela foi aquecida a 815 °C, depois foi resfriada em óleo e temperada em banho de sal a 580 °C por 1 h. Após o tratamento térmico, sua dureza foi medida e obteve-se 42 HRC. Os autores observaram cavacos contínuos e longos nas condições a seco e com LN2, enquanto que na usinagem assistida por dióxido de carbono (LCO2 e LCO2+MQL), os cavacos se apresentaram fragmentados, como pode ser visto na figura 18.
Figura 18. Efeito das diferentes condições de lubrirrefrigeração na forma dos cavacos obtidos na usinagem do aço AISI 4140.
Fonte: adaptado de Kaynak e Gharibi (2018).
De acordo com os autores, a razão para a formação de cavacos fragmentados nas condições LCO2 e LCO2+MQL provavelmente estaria associada à temperatura de transição dúctil-frágil do aço AISI 4140, que se encontra na faixa entre entre −40 e −20 oC. Como a temperatura do LCO2 é em torno de –78 oC, seria muito provável que durante a usinagem assistida com este fluido, a superfície do material da peça tenha atingido sua temperatura de transição dúctil-frágil promovendo, desta forma, a fratura dos cavacos. Os autores não deram qualquer explicação para os cavacos não saírem quebradiços na usinagem com LN2, visto que a temperatura nesse processo é bem mais baixa do que com LCO2.
Diante do que foi apresentado, pode-se concluir que a usinagem criogênica, principalmente usando o LN2, além de promover melhorias técnicas no processo de usinagem, vem sendo considerada uma técnica sustentável pois reduz impactos ambientais quando comparado com os fluidos convencionais à base de óleo mineral.
Embora apresente as vantagens anteriormente apresentadas, o LN2 ainda não é amplamente usado na usinagem. Acredita-se que o motivo ligado a este fato esteja relacionado à desconfiança dos profissionais da indústria no que se refere à relação custo/benefício da técnica, o que exige que mais pesquisas sejam realizadas, não somente com respeito aos aspectos técnicos, como também aos aspectos econômicos.
O item que segue aborda alguns aspectos econômicos ligados à usinagem e ao uso de fluidos criogênicos no processo.
ASPECTOS ECONÔMICOS
De acordo com Walker (2013), cerca de 16% do custo total de usinagem está relacionado ao uso de fluidos de corte convencionais. Isso representa quatro vezes o custo com ferramentas (4%). Desse percentual relacionado ao fluido de corte (16%), 22% é gasto com o seu descarte.
Para apresentar os custos exatos com fluidos de corte é preciso realizar uma análise mais complexa. Segundo Benedicto et al. (2017), para se avaliar o custo total de um sistema de aplicação de fluidos de corte, deve-se levar em conta os seguintes fatores:
● Custo de aquisição do fluido de corte; ● Custo referente ao consumo de energia;
● Custo das tarefas de manutenção associadas ao bombeamento, limpeza e reabastecimento do sistema;
● Custo com a limpeza de peças e custos de operações secundárias para remover a camada de óleo lubrificante (óleo destinado à lubrificação dos barramentos da máquina e outras partes) da superfície do fluido de corte, evitando sua contaminação;
● Custo da água para diluir o fluido de corte e compensar as perdas por evaporação. Obs.: Este custo pode variar muito dependendo da qualidade da água necessária;
● Custos associados à reposição do fluido devido ao arraste deste com os cavacos e a peça;
● Custo com o sistema de recirculação e filtragem do fluido;
● Custos de manutenção associados aos aditivos usados para prolongar a vida útil dos fluidos;
● Custos de tratamento e descarte do fluido.
Como pode ser visto, no caso da usinagem assistida por LN2, apenas os 3 primeiros fatores devem ser levados em consideração.
Benedicto et al. (2017) ainda apresenta a tabela 2, que mostra de forma qualitativa, uma comparação entre os custos de matéria-prima, consumo, equipamentos, limpeza e descarte para diferentes sistemas de lubrirrefrigeração.
Tabela 2. Comparação entre os custos de diversos sistemas de lubrirrefrigeração.
Matéria prima
Consumo
de fluido Equipamento Ferramenta Limpeza Descarte
Fluidos de corte Baixo Muito Alto Alto Médio Muito Alto Muito Alto
Usinagem a seco
Muito
baixo Muito baixo
Muito
baixo Muito Alto
Muito baixo
Muito baixo
MQL Baixo Baixo Médio Baixo Baixo Baixo
Lubrificantes
Sólidos Alto Médio Médio Médio Médio Alto Resfriamento
Criogênico Médio Médio Muito Alto Médio
Muito baixo
Muito baixo
Resfriamento a
gás Médio Médio Alto Alto
Muito baixo
Muito baixo
Fluidos
biodegradáveis Médio Alto Alto Baixo Alto Médio Nanofluidos Muito
Alto Alto Alto Médio Alto Muito Alto
Fonte: Adaptado de Benedicto, Carou e Rubio (2017).
Observa-se que o custo mais crítico para o resfriamento criogênico, por exemplo, é com a aquisição do equipamento.
Hong et al. (2000) utilizaram um sistema de aplicação de LN2, com um custo total de aquisição de US$ 12.150,00 (R$ 45.927,00 – valor em reais calculado com cotação do dólar no dia 15/11/2018 a R$ 3,78). Entretanto, 17 anos depois, Leadebal Jr. (2017) utilizou um sistema com insumos de cerca de R$ 5.800,00. Acredita-se que este custo possa cair ainda mais à medida que a técnica seja aprimorada, com a otimização dos equipamentos em termos de vazão e pressão necessárias, por exemplo, e com uma maior difusão da técnica no meio industrial.
A principal desvantagem dessa alternativa de usinagem, além de custos adicionais de equipamentos, é o preço relativamente alto do LN2 que, ao usar o resfriamento criogênico, não é reutilizável como é o caso no método convencional
Um outro ponto chave na busca de uma maior economia na aplicação do nitrogênio líquido como fluido de corte estaria relacionado à definição da quantidade mínima necessária de LN2 para a obtenção de um tempo de vida da ferramenta de corte satisfatório (LU e JAWAHIR, 2015).
O item que segue descreve os materiais e métodos usados no presente trabalho.