UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
FACULDADE DE ENGENHARIA – Campus de Bauru
Departamento de Engenharia Mecânica
ÓLEOS DE USINAGEM:
TIPOS, CLASSIFICAÇÃO E DESEMPENHO
Prof. Dr. João Candido Fernandes Turma 2241A
Bruno Bastos Gonçalves RA: 711446 Gabriel Fernando Yaginuma RA: 711284 Marcelo Kazuo Yamamoto RA: 711462
1. INTRODUÇÃO
Nos processos de usinagem, o corte do cavaco gera uma grande quantidade de energia devido ao atrito ferramenta-peça e cavaco-ferramenta. A fim de minimizar o desgaste da ferramenta, a dilatação térmica da peça e o dano térmico à estrutura superficial da peça, este calor deve ser reduzido (lubrificação) e/ou extraído (refrigeração) da ferramenta e da peça (Diniz et. al.,2003).
Para redução desse calor gerado são utilizados os chamados fluidos de corte. De acordo com El Baradie (1996) a utilização deste agente nos processos de usinagem prolonga a vida útil da ferramenta uma vez que o material da ferramenta possui dureza superior e menor taxa de difusão de seus constituintes em baixas temperaturas de trabalho.
Ao conduzir o calor para fora da zona de corte, a redução da temperatura do sistema ferramenta/cavaco/peça permite o aumento da produtividade e redução de custos pois possibilita o aumento de alguns parâmetros de corte tais como velocidade de corte, taxa de avanço e profundidade de corte. A aplicação efetiva pode ainda aumentar a vida útil da ferramenta, reduzir a rugosidade superficial, melhorar a precisão dimensional e diminuir a potência exigida (El Baradie, 1996).
Com o objetivo de reduzir o uso destes fluidos, pesquisas na área de lubri-refrigerantes se intensificaram influenciadas por fatores como custos operacionais, questões ecológicas e suas exigências legais.
Segundo Diniz et. al. (2003), questões ambientais internas ao ambiente industrial ainda envolvem a saúde do operador devido ao contato do fluido com a pele, a ingestão e inalação de poluentes derivados deste. Externamente ao ambiente industrial, o impacto ecológico refere-se ao descarte do fluido ao fim de sua vida.
Logo, as empresas estão analisando alternativas para reduzir o consumo de fluidos de corte e adotando métodos eficientes de reciclagem de acordo com certificações internacionais de qualidade como a ISO 14000.
2. FUNÇÕES DOS FLUIDOS DE CORTE
As principais funções dos fluidos de corte são: • Refrigeração a altas velocidades;
• Lubrificação a baixas velocidades. Outras funções são:
• Ajudar a retirar cavaco da zona de corte;
• Proteger a máquina-ferramenta e a peça da corrosão atmosférica.
O efeito de refrigeração de fluido de corte trabalha na dissipação de calor para que a ferramenta não atinja uma temperatura elevada, enquanto o efeito de lubrificação diminui a geração de calor no processo. Quando o fluido é a base de água, a dissipação de calor (refrigeração) é mais importante que a redução de calor (lubrificação).
diminui a ocorrência de microsoldagem do cavaco na superfície de saída da ferramenta e do aparecimento de aresta postiça de corte quando adicionados aditivos apropriados.
À altas velocidades de corte, as condições não são favoráveis para a penetração do fluido de corte na interface cavaco-ferramenta para que ele exerça o papel lubrificante. Nessas condições a refrigeração se torna mais importante e um fluido à base de água deve ser utilizado.
3. RAZÕES PARA UTILIZAÇÃO DE FLUIDOS DE CORTE
Os fluidos de corte são utilizados a fim de se obter um custo total por partes usinadas ou um aumento na taxa de produção.
Isto é possível devido aos benefícios que os fluidos de corte podem proporcionar, como por exemplo:
• Aumento da vida útil da ferramenta pela lubrificação e refrigeração;
• Redução das forças de corte devido a lubrificação e, conseqüentemente, redução de potência;
• Melhora do acabamento superficial; • Fácil remoção do cavaco da zona de corte;
• Menor distorção da peça pela ação da ferramenta (controle dimensional da peça).
4. CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS DE CORTE
A interação entre fluidos de corte e o processo de remoção de material é uma área de pesquisas de interesse para as indústrias. Nesse sentido, os fluidos de corte evoluíram em um conjunto complexo de óleos e componentes. Essa evolução deve-se à obtenção de fluidos mais eficientes e ecologicamente mais viáveis (Stanford & Lister, 2002).
Cada fluido de corte possui características particulares, vantagens e limitações distintas. Por meio da distinção destas características é possível fazer uma classificação dos diversos tipos de fluidos de corte. Eles podem ser classificados em:
• Óleos de corte (integral ou aditivado); • Fluidos solúveis em água:
o Emulsionáveis convencionais (óleos solúveis); o Emulsionáveis semi-sintéticos;
o Soluções (fluidos sintéticos);
Tabela 1 – Características dos principais tipos de fluidos de corte utilizados nas indústrias (Webster, 1995).
Sintético Semi-sintético Óleo
emulsionável
Óleo mineral
Calor removido Excelente Ótimo Bom Ruim
Lubrificação Ruim Bom Ótimo Excelente
Manutenção Ótimo Bom Ruim Excelente
Filtrabilidade Excelente Ótimo Bom Ruim
Danos - Meio ambiente
Excelente Ótimo Bom Ruim
Custo Excelente Ótimo Bom Ruim
4.1. Óleos De Corte
Os óleos de corte são compostos capazes de formar películas oleosas, lubrificantes e aderentes. Normalmente tais compostos são de origem mineral, vegetal ou sintético. Estas substâncias podem ser utilizadas no estado puro, ou ainda aditivado com aditivos polares e/ou aditivos químicos ativos ou inativos.
Os óleos minerais apresentam, em sua grande maioria, base parafínica, isto é, compostos aromáticos policíclicos, que se não forem destruídos durante o processo de formação do óleo de corte através de forte hidrogenação, podem causar câncer e dermatites (Webster, 1995).Estes óleos têm excelentes propriedades lubrificantes, bom controle anti-ferrugem e longa vida útil. No entanto, apresentam menor poder refrigerante quando comparados com os fluidos de corte solúveis em água, devido ao seu calor específico ser cerca de metade em relação ao da água.
4.2. Fluidos Solúveis Em Água
Os fluidos solúveis em água são principalmente utilizados para processos a altas velocidades, pois possuem melhor capacidade de refrigeração. Esses fluidos são melhores também no resfriamento dos componentes, evitando distorções térmicas (El Baradie, 1996).
Esses tipos de fluidos são formados pela mistura de água e óleos, ou sais orgânicos e inorgânicos. Essas misturas variam entre emulsões e soluções dependendo da constituição básica do fluido de corte solúvel concentrado, da presença e da quantidade de emulgadores no concentrado (El Baradie, 1996). Segundo Diniz et. al. (2003), emulgadores, também conhecidos como emulsificadores, são substâncias que reduzem a tensão superficial da água, com isso facilitando a dispersão do óleo na água, formando uma emulsão estável.
minimizando os efeitos negativos de origem térmica. Esse tipo de fluido de corte pode ser classificado em óleos emulsionáveis, sintéticos ou semi-sintéticos, conforme ilustra a figura 1 (El Baradie, 1996).
Figura 1 – Classificação dos fluidos solúveis em água.
4.2.1. As Emulsões
As emulsões são formadas por óleos e água. Como estas duas substâncias não se misturam (imiscíveis), trata-se então de água com partículas de óleo em seu interior. Esse estado somente é obtido com a adição de emulsificadores.
Segundo El Baradie (1996), os óleos solúveis combinam as propriedades de lubrificação e anti-corrosão dos óleos com a excelente característica refrigerante da água. As vantagens em relação aos óleos de corte incluem a melhor extração de calor da interface peça/ferramenta, melhor limpeza da superfície de trabalho, economia resultante da diluição em água, e condições de trabalho mais saudável e segura. Já a desvantagem reside em apresentar menor poder de lubrificação, não diminuindo de forma eficiente o atrito entre peça e ferramenta.
Um grande problema relacionado às emulsões está relacionado à estabilidade biológica, pelo fato de que os agentes emulgadores transformam-se em fonte de alimento para bactérias aeróbias e anaeróbias, as quais em grande quantidade degradam o fluido, destruindo suas propriedades de refrigeração e lubrificação, tornando-o inutilizável. Para combater tal efeito indesejável aplicam-se biocidas ao fluido (Novaski & Rios, 2004).
4.2.2. Fluidos Sintéticos
Os fluidos sintéticos são soluções químicas, constituídas de materiais (sais) orgânicos e inorgânicos dissolvidos em água, não contendo óleo mineral. São compostos monofásicos de óleos dissolvidos totalmente em água. Não há a necessidade da atuação de elementos emulsificadores, pois os compostos reagem quimicamente formando fases únicas (Diniz et. al., 2003).
Em geral, estas substâncias permitem rápida dissipação de calor, bom controle dimensional, excelente poder detergente e boa visibilidade da região de corte, facilidade no preparo da solução e elevada resistência à oxidação do fluido e à corrosão. Os fluidos sintéticos apresentam elevada estabilidade microbiológica, não necessitando ser periodicamente descartado devido ao ataque de bactérias. Esta característica
Fluidos Solúveis em água
proporciona uma redução de tempo de máquina parada para limpeza e reabastecimento do reservatório (Novaski & Rios, 2004; Diniz et. al., 2003)
As desvantagens da utilização desta categoria de fluidos estão relacionadas ao baixo poder lubrificante, a formação de compostos insolúveis e de espuma para determinadas operações de usinagem, fatos minimizados com a adição de anti-espumantes e aditivos lubrificantes (Bianchi et. al., 2004).
4.2.3. Fluidos Semi-Sintéticos
Este tipo de fluido é uma combinação de fluidos sintéticos e emulsões de óleo em água. São compostos majoritariamente por compostos sintéticos, complementados por óleos emulsionáveis numa proporção que varia entre 5 e 30% do total do fluido. Assim, pode-se obter uma emulsão translúcida, composta por minúsculas partículas de óleo. Os fluidos semi-sintéticos combinam algumas das melhores qualidades dos sintéticos com os óleos emulsionáveis. As vantagens e limitações são semelhantes às dos fluidos sintéticos, com exceção de que os semi-sintéticos possuem melhor capacidade lubrificante. Além disso, apresentam melhor resistência à corrosão e ao ataque por microorganismos (El Baradie, 1996).
5. ADITIVOS
Certas propriedades especiais são conferidas aos fluidos de corte por meio de aditivos, que são produtos químicos ou orgânicos. Os aditivos mais usados são:
• Antiespumantes: evitam a formação de espuma que poderia impedir a boa visão da região de corte e comprometer o efeito de refrigeração do fluido; • Anticorrosivos: protegem a peça, a ferramenta e a máquina-ferramenta da
corrosão (são produtos à base se nitrito de sódio);
• Antioxidantes: tem a função de impedir que o óleo se deteriore quando em contato com o oxigênio no ar;
• Detergentes: reduzem a deposição de iôdo, lamas e borras (composto de magnésio, bário, cálcio, etc);
• Emulgadores: são responsáveis pela formação de emulsões de óleo na água; • Biocidas: substâncias ou misturas químicas que inibem o crescimento de
microorganismos;
6. DIREÇÕES E MÉTODOS DE APLICAÇÃO DOS FLUIDOS DE CORTE
Existem três direções de aplicação dos fluidos de corte, como mostra a figura 2.
Figura 2 - As três direções possíveis de aplicação do fluido de corte.
Direção A: Aplicação convencional de fluido na forma de jorro à baixa pressão
(sobre cabeça);
Direção B: Aplicação de fluido entre a superfície de saída da ferramenta e a
parte inferior do cavaco. Nesta aplicação, estudada em algumas pesquisas, o fluido é aplicado sob alta pressão;
Direção C: Aplicação do fluido entre a superfície de folga da ferramenta e a
peça.
Quanto aos métodos de aplicação do fluido, existem basicamente três: • Jorro de fluido à baixa pressão (torneira à pressão normal);
• Pulverização;
• Sistema à alta pressão.
Figura 3 – Aplicação por jorro do fluido de corte semi-sintético, vazão total de 1230
l/h.
7. MANUTENÇÃO DOS FLUIDOS DE CORTE
Os fluídos de corte devem receber os mesmos cuidados que máquinas, equipamentos elétricos, instalações, etc. Os sistemas de refrigeração devem ser limpos a cada nova carga de fluido de corte. Cuidados especiais de estocagem e manuseio devem ser tomados. A remoção da camada de óleo sobrenadante é importante, pois impede a proliferação de bactérias anaeróbicas, responsáveis pelos odores característicos de emulsões contaminadas. A remoção dos cavacos também é importante, já que impede a formação de pontos de estagnação no reservatório, fato tal que contribui para a proliferação de microorganismos (Bianchi et. al., 2004).
Conforme Bianchi et. al. (2004), em caso de infecções bacterianas, procedimentos padrão de limpeza devem ser tomados antes, durante e depois da colocação da nova carga de fluido de corte. Isso pode ser feito através da utilização de biocidas e produtos de limpeza adequados, devidamente indicados pelo fabricante do fluido. Deve-se evitar a mistura de fluidos de corte de procedências distintas, pela possibilidade de incompatibilidade entre os mesmos. Ainda, procedimentos referentes ao controle do ph, da concentração e da proliferação de microorganismos devem ser feitos periodicamente.
Seguem abaixo providências e cuidados no manuseio de fluidos de corte, bem como dicas de higiene no uso dos mesmos:
• Armazenamento: locais adequados sem variações de temperaturas, limpos e livres de contaminação;
• Alimentação: deve-se aplicar diretamente sobre a aresta de corte, a alimentação deve ser iniciada antes do início do corte;
• Controle de odor: contornado por meio de limpeza do local e pelo uso de bactericida da emulsão;
• Contato e higiene: os contatos do operador com os fluidos de corte mais os resíduos da usinagem formam compostos que aderem à pele das mãos e dos braços. Essas substâncias entopem os poros e os folículos capilares, impedindo a formação normal do suor e a ação da limpeza natural da pele, o que causa a dermatite. O controle desse problema é mais uma questão de higiene pessoal (vestir um avental a prova de óleo, lavar as áreas da pele que entram em contato com o fluido, sujeiras e partículas metálicas ao menos duas vezes ao dia. Tratar e proteger imediatamente os cortes e arranhões, aplicar cremes adequados as mãos e aos braços antes do início do trabalho e depois de lavá-los, instalar nas máquinas protetores contra salpicos, etc.).
8. DESCARTE
Segundo König (1980), em decorrência das fortes pressões exercidas pelas leis ecológicas, o despejo dos resíduos de fluidos de corte ganha uma importância crescente no meio industrial. Bianchi et. al. (2004) caracteriza alguns procedimentos para descarte de certos fluidos de corte, como segue abaixo.
Os óleos integrais podem vendidos para nova refinação ou podem ser regenerados pelo fabricante do fluido ou por companhias especializadas. Esse tipo de fluido pode ser queimado em caldeira, desde que de acordo com a legislação ambiental, isto é, este esteja no estado seco e isento de impurezas, com baixa concentração de enxofre e sem cloro.
Os fluidos de corte solúveis em água não podem ser descartados diretamente no sistema de esgoto. É necessário que se faça a separação do óleo e dos produtos químicos dissolvidos na água.
Os processos de descarte de emulsões podem ser divididos em químicos, físicos e físico-químicos. A seleção do procedimento depende do estado da emulsão, de sua composição e do custo envolvido. Todos os processos têm em comum os seguintes estágios: quebra da emulsão, separação do óleo e tratamento da água separada. A fase aquosa resultante, após sua neutralização, deve estar de acordo com a legislação para o posterior descarte. A fase oleosa separada é removida e tratada como um fluido integral. Dentre os processos físicos mais utilizados estão a ultra-filtração e a quebra térmica. Na ultra-filtração a emulsão circula através de permeadores, os quais possuem membranas tubulares, cujos poros controlados impedem a passagem das moléculas de óleo, efetuando a quebra da emulsão. Já no processo de quebra térmica, a separação da fase oleosa e aquosa dá-se por intermédio do aquecimento da emulsão e, conseqüentemente, da evaporação da fase aquosa.
Nos processos físico-químicos, ocorre a quebra ácida com adsorção a quente, com ou sem estágio de separação mecânica. Além disso, a reação química é reforçada pelo aquecimento da emulsão.
A água separada é neutralizada, ocorrendo a precipitação dos sais usados para quebra de emulsão em forma de hidróxidos metálicos que adsorvem o óleo remanescente na água. A borra formada deve ser desidratada antes do descarte, podendo ser descartada em depósitos especiais ou queimadas em instalações especializadas.
Para cada tipo de emulsão a ser descartada aplicam-se parâmetros específicos quanto aos tipos e quantidades de produtos químicos a serem empregados nos processos de separação. A seleção do processo a ser adotado depende de uma análise econômica, na qual o volume de material a ser descartado é um fator preponderante (Bianchi et. al., 2004).Afigura 4 ilustra uma esquematização do descarte de fluidos de corte.
Figura 4 – Esquematização do processo de disposição de fluidos usados.
9. USO RACIONAL DE FLUIDOS DE CORTE
Como visto, os fluidos de corte desempenham diversas funções no processo produtivo, e sua utilização resulta, na maioria das vezes, em maior vida da ferramenta e em melhor qualidade da peça usinada. Porém, o uso dos fluidos trás consigo alguns inconvenientes, como a dificuldade e alto custo da reciclagem e descarte, poluição ambiental, e doenças nas pessoas expostas. Devido a isso, muito se tem estudado com o objetivo de evitar ou minimizar a utilização de fluidos de corte nos processos de usinagem. Busca-se realizar tal tarefa , sem se perder os ganhos que a utilização desses fluidos trazem, principalmente com relação à vida da ferramenta e à qualidade da peça (Diniz et. al., 2003).
fluxo de ar (método da pulverização), e direcionados contra a saída do cavaco, ou entre a superfície de folga da ferramenta e a peça.
Especificamente para o processo de retificação, existem dois métodos de lubri-refrigeração que buscam a minimização da utilização abundante de fluidos de corte, bem como o melhoramento do acabamento superficial da peça retificada. São eles:
• Mínima quantidade de lubrificante (MQL): A técnica de MQL caracteriza-se como uma alternativa interessante que combina a utilização de ar comprimido, responsável pela refrigeração, misturado a uma pequena quantidade de óleo, que lubrifica a interface de contato peça-ferramenta. A figura 5 mostra o funcionamento da técnica de MQL.
Figura 5 – Funcionamento da técnica de MQL no processo de retificação.
Figura 6 – Sistema de refrigeração otimizada.
10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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