FORMAS OTIMIZADAS PARA A APLICAÇÃO DE FLUIDOS DE CORTE NA
RETIFICAÇÃO DOS METAIS
R. E. Catai (1), E. C. Bianchi, P. R. de Aguiar
e-mail: rcatai@feb.unesp.br, Av. Eng. Luiz Edmundo Carrijo Coube, S/No/Caixa Postal 473, Laboratório de Usinagem por Abrasão – LUA, CEP: 17033 -360, Bauru, SP, Brasil
UNESP - Universidade Estadual Paulista - Campus de Bauru,
RESUMO
Com o advento cada vez maior de novas tecnologias, torna-se importante, a constante e incessante busca pela superação de antigos conhecimentos. Com isso, quando se deseja qualidade e precisão nas peças metálicas, com rugosidades e danos térmicos extremamente reduzidos, aliados à viabilidade econômica, logo se pensa no processo de retificação, que é caracterizado pela interação dos grãos dos rebolos com a superfície da peça, gerando um excessivo calor. Visando evitar estes problemas térmicos, métodos otimizados de aplicação de fluidos na zona de retificação são imprescindíveis. A otimização do processo pode ocorrer através do controle da velocidade de saída do fluido, pela confecção de bocais diferenciados, ou mesmo utilizando -se defletores, os quais têm a função de eliminar a camada de ar formada ao redor do rebolo, facilitando o acesso do fluido no contato peça-rebolo. Através da otimização do processo, pode-se prever possíveis lucros no setor industrial, pois menor tende a ser o desgaste das ferramentas, as forças de corte, e a quantidade de fluido exigida, o que é interessante, porque o fluido representa uma grande parcela do custo final na retificação dos metais. Neste trabalho, será apresentada uma revisão literária contendo algumas formas de se realizar a otimização do processo de retificação dos metais.
Palavras chaves: Retificação, usinagem dos metais, otimização do processo.
INTRODUÇÃO
No processo de retificação de metais, a peça é forçada contra o rebolo gerando cavacos que são removidos da superfície da peça [1]. Durante a formação dos cavacos grande parte da energia gerada é convertida em calor, causando altas temperaturas na região de corte, que podem causar danos térmicos as peças [2].
A fim de controlar as elevadas temperaturas geradas na região de corte que podem danificar a peça ou mesmo a ferramenta e com intuito de minimizar ao máximo os custos com o desperdício de fluidos aplicados de maneira ineficaz, torna -se cada vez mais imprescindível, a otimização do processo de retificação, que pode ocorrer através da escolha correta do par fluido-ferramenta, pela utilização de parâmetros ideais de corte e pela adoção de sistemas otimizados de aplicação de fluidos de corte, pois nos métodos convencionais a energia armazenada nos fluidos durante a sua aplicação não é suficiente, na maioria dos casos, para vencer a força centrífuga do rebolo ou penetrar na barreira de ar que circunda o mesmo em movimento.
Contudo, usando-se retificadoras apropriadas, associadas a ferramentas, fluidos e parâmetros de corte ideais, bem como um efetivo sistema de aplicação do correto refrigerante, existe uma grande possibilidade de se utilizar processos otimizados com altas velocidades e eficiência. Sendo que os mesmos, além de aumentarem a produtividade, podem produzir peças de excelente qualidade, e devido a grande velocidade na produção, também de elevadíssima viabilidade econômica [3].
FLUIDOS DE CORTE APLICADOS NA RETIFICAÇÃO DE METAIS
F. W. Taylor foi um dos primeiros a provar o grande auxílio que os líquidos poderiam trazer no corte de metais. Em 1883, o mesmo demonstrou que um jato de água aspergido na ferramenta, cavaco e superfície da peça, tornava possível o aumento da velocidade de corte de 30% a 40%. Foi esta constatação feita por Taylor e por outros pesquisadores, que propulsionaram o estudo e desenvolvimento de vários tipos de fluidos de corte ao longo dos anos e principalmente nas últimas décadas [4], [5].
As principais funções dos fluidos de corte na usinagem dos metais são: realizar a lubrificação com o objetivo de reduzir o calor gerado pelo atrito, diminuir o desgaste e o consumo de energia e ainda proporcionar um melhor acabamento na peça final; quanto a refrigeração, esta tem a função de eliminar o calor sem permitir que ocorram alterações dimensionais nas peças, bem como promover a expulsão dos cavacos metálicos gerados na usinagem e por fim proteger máquinas e ferramentas contra a corrosão atmosférica [6].
A aplicação correta dos fluidos aliada a mínima quantidade do mesmo que pode ser aplicada na região de corte sem afetar a qualidade final da peça é de extrema importância no cotidiano mundial , pois os custos com refrigeração apresentam, em média, 17% dos custos de manufatura, representando um valor expressivo comparado aos gastos destinados à ferramenta que apresenta, em média, de 2% a 4%, além dos gastos adicionais de manutenção do sistema e separação do cavaco do fluido de corte para uma posterior refundição [7].
Conforme a velocidade de corte aumenta, fluidos com maiores facilidades de penetração na interface peça ferramenta e altos efeitos refrigerantes são requeridos [6]. Porém, conforme aumenta-se esta velocidade, a pressão exigida para injetar o fluido na região de corte é muito elevada. Portanto, a fim de se realizar uma retificação sem maiores problemas com o fluido de corte, uma otimização do processo seria o ideal, pois poderia aumentar a produtividade e qualidade, reduzir custos, permitir a utilização de elevadas velocidades de corte, altas taxas de remoção e grandes profundidades de corte.
Em relação aos tipos de fluidos de corte, os fluidos a base de água têm duas grandes desvantagens que são: possuir um baixo teor de lubrificação e promover mais facilmente a oxidação das peças e da máquina. Nesse grupo estão inseridos os fluidos semi-sintéticos e os sintéticos, que são isentos de óleos minerais. Já os óleos de corte caracterizam -se por fornecerem melhores poderes lubrificantes que os fluidos a base de água (soluções e emulsões) [8]. Na tabelaI, são apresentadas algumas características dos principais tipos de fluidos de corte utilizados nos processos de usinagem dos metais dentro das indústrias.
Tabela I - Características dos principais fluidos (1-Ruim; 2- Bom; 3- Ótimo; 4-Excelente) [9]
Sintético Semi - Sintético Óleo solúvel Óleo Mineral
Calor removido 4 3 2 1 Lubrificação 1 2 3 4 Manutenção 3 2 1 4 Filtrabilidade 4 3 2 1 Danos - Meio ambiente 4 3 2 1 Custo 4 3 2 1
OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO
A otimização do processo aumenta a capacidade de lubrificação e refrigeração dos fluidos, promove a remoção de cavaco mais facilmente, gera menores dispersões na região de corte, porém para isto é necessário um correto posicionamento dos bocais [10].
Um parâmetro que sofre grande influência de uma retificação não otimizada é a tensão residual introduzida na peça após sua retificação, sendo que estas tensões podem ser de compressão ou de tração. As tensões res iduais de tração, que são extremamente danosas as peças, aparecem quando a refrigeração não é eficiente e o material atinge elevadas temperaturas. A utilização de bicos convencionais para a saída do fluido não é mais adequada devido ao crescimento na utilização de fluidos a base de água que sofrem grande dispersão e se perdem na região de corte, devido a barreira de ar gerada em torno do rebolo, pela sua elevada rotação. Esta barreira de ar pode ser vencida, igualando-se a velocidade de saída do jato à velocidade periférica do rebolo, porém, devido ao desenho incorreto dos bicos convencionais, o aumento da pressão da bomba, visando aumentar a velocidade de saída do fluido, leva a um aumento da dispersão do jato, diminuindo a eficiência do mesmo.
Existem alguns fatores que afetam diretamente a eficiência da refrigeração, incluindo -se o tipo e a velocidade do fluido utilizado, o posicionamento do bocal, o ângulo de abertura do bocal, o projeto do bocal, a utilização de um dispositivo para quebrar a barreira de ar envolta do rebolo e o tamanho dos grãos abrasivos do rebolo [11]. Estes fatores podem ser visualizados na figura 1.
Figura 1 - Alguns fatores que afetam a aplicação do fluido de corte [11]
A seguir, a fim de se otimizar o processo e tornar a retificação dos metais mais eficiente, principalmente quando se trabalha com aços endurecidos de elevada dureza e de dificílima usinabilidade, serão apresentados alguns bicos com formatos especiais para aplicação do fluido na região de corte e alguns sistemas que facilitam ao fluido chegar com menor dispersão na região da interface metal/rebolo.
Bicos especiais com uma língua ao redor do rebolo
A figura 2 mostra uma espécie de bico com uma língua ao redor do rebolo. Os mesmos, são bastante eficientes e ajustáveis a uma grande faixa de tamanho de rebolos e contam com uma espécie de língua, a qual deve ser conjugada ao bico e ajustável aos diferentes diâmetros dos rebolos. Estes bicos possuem ao menos 3/4 da largura do rebolo, porém não ultrap assam as extremidades deste em nenhum ponto e têm como principal função aplicar o fluido sem que o mesmo se disperse [4]. APLICAÇÃO DO FLUIDO Tipo de fluido de corte Velocidade do fluido de corte Ângulo de abertura bocal Quebra da barreira de ar Posicionamento do bocal Tamanho do
grão abrasivo Desenho do bocal
Rebolo
Bico especial Fluido
Figura 2 - Bico especial, com uma espécie de língua ao redor do rebolo [4] Bicos ejetores com elementos condutores
Outra forma de se otimizar o processo é através da utilização de bicos injetores do tipo sapata, com elementos condutores, os quais tem as funções de direcionar melhor o fluxo do fluido, e melhorar o preenchimento dos poros do rebolo [12]. Neste tipo de bico, as diferentes geometrias dos elementos condutores, associadas com a velocidade de corte e vazão do fluido, influenciam as condições desfavoráveis de fluxo, como refluxos, separações de fluido e turbulências. Os elementos condutores de fluxo no interior destes bicos podem ser retos, radiais e tangenciais.
Sapatas refrigerantes, defletores e placas defletoras
Os defletores têm a função de eliminar a cortina de ar formada ao redor do rebolo, devido a sua rotação, o que dificulta a entrada de refrigerante na zona de corte. Em operações em que se utilizam elevadas velocidades de corte, esta camada de ar é ainda mais relevante, sendo que a velocidade e a pressão deste ar diminuem exponencialmente com a redução da distância radial em relação ao centro do rebolo. Reduzindo-se ou eliminando -se o efeito desta camada de ar, principalmente quando se trabalha com retificações de altas velocidades de corte, pode -se reduzir, por exemplo, as forças de corte em torno de 40% a 60% e os valores da rugosidade em torno de 10% a 20%. A fim de vencer esta barreira de ar nociva ao processo, outro tipo de dispositivo chamado de sapata refrigerante é proposto conforme figura 3. Esta sapata refrigerante cobre cerca de 60º da superfície do rebolo [13].
peça
Sapata refrigerante Cortina de ar
Rebolo CBN
Figura 3 - Proposta de uma sapata refrigerante para atenuar os efeitos da camada de ar [13] Já para Bellows (14), um filme de ar com considerável velocidade acompanha o rebolo em rotação. Estima-se que a velocidade deste ar é de aproximadamente 32m/s, para uma velocidade periférica do rebol o em torno de 33m/s. A fim de eliminar este filme de ar, Bellows(14) propõe a colocação de placas defletoras que envolvem o contorno do rebolo, localizando -se acima do bocal de saída de fluido, conforme ilustrado na figura 4 e também propõe bicos refrigerantes na forma de
sapatas, ligados a defletores ajustáveis, a fim de que a palheta possa ficar mais perto possível do rebolo, evitando a passagem de ar em direção a região de corte conforme mostra a figura 5 [14].
Semi vácuo
Placa defletora
Rebolo
Rebolo
Figura 4 – Esboço de uma placa defletora ao redor do rebolo [14]
Peça Diâmetro de saída Defletor de vento Ponto de retificação Bico tipo sapata Fluxo Palheta ajustável Ponto de ajuste Rebolo
Figura 5 – Proposta de um defletor com palheta ajustável [14]
Outra maneira de eliminar esta camada de ar gerada pela alta rotação do rebolo é através da utilização de sistemas de defletores, os quais são fixados ao redor do bocal de saída de fluido de corte, conforme está ilustrado na figura 6 [14].
Rebolo Sistema de defletores Bico de saída de fluido Peça
CONCLUSÕES
As formas de aplicação dos fluidos devem ser sempre estudadas para cada operação a ser realizada, desde o posicionamento do bico de saída de fluido em relação a superfície da peça, até seus diâmetros e formas internas e externas.
A otimização do processo, através da confecção de bocais ou bicos especiais, torna-se ainda mais importante quando se trabalha com altas velocidades de corte, sendo imprescindível para estes casos, a utilização de defletores e/ou sapatas refrigerantes.
Reduzindo-se ou eliminando-se o efeito desta camada de ar, além de poder ser utilizado uma quantidade menor de fluido no processo, principalmente quando se trabalha com retificações a altas velocidades, pode-se reduzir as forças de corte em até 60% e a rugosidade em 20% [13].
Com estas adequações no processo de retificação, pode -se prever possíveis lucros no setor industrial, pois menor tende a ser o desgaste das ferramentas, as forças de corte e a quantidade de fluido exigida, o que é interessante, pois o fluido representa elevados custos no processo. REFERÊNCIAS
1. GUPTA, R.; SHISHODIA, K. S.; SEKHON, G. S. Optimization of grinding process parameters using enumeration method. Journal of Materials Processing Technology, 2001. 2. KOVACEVIC, R; MOHAN R. Effect of high speed grinding fluid on surface grinding
performance. SME Technical paper MR95 -213, 1995, p. 919-931.
3. JACKSON, M. J., DAVIS, C. J., HITCHINER, M. P., MILLS, B. High -speed grinding with CBN grinding wheels – applications and future technology. Journal of Materials Processing Technology, 2001, p.78-88.
4. SILLIMAN, J. D. (Ed.). Cutting and grinding fluids: selection and application. Dearborn – Michigan: SME, Second Edition, 1992, p. 119-135, ISBN: 0-87263 -423-X.
5. MACHADO, A. R., DINIZ, A. E. Vantagens e desvantagens do uso de fluidos de corte. Revista Máquinas & Metais, Ano XXXVII, nº 419, dez. 2000.
6. NOVASKI, O.; RIOS, M. Vantagens do uso de fluidos sintéticos na usinagem. Revista Metal Mecânica, Ano XX, abril/maio 2002, p 56- 62.
7. NOVASKI, O.; DÖR, J. Usinagem quase a seco. Revista Máquinas e Metais, Ano XXXVI, no 406, Nov. 1999, p 34- 41.
8. DINIZ, A. E., MARCONDES, F. C., COPPINI, N. L. Tecnologia da usinagem dos materiais. Campinas – Brasil, 2ª Edição, Artiliber Editora Ltda, 2000, p.165.
9. WEBSTER, J. Selection of coolant type and application technique in grinding. Supergrind, 1995, p. 205 -218.
10. EBBRELL, S.; WOOLLEY, N.H.; TRIDIMAS, Y.D.; ALLANSON, D.R.; ROWE, W.B. The effects of cutting fluid application methods on the grinding process. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Reino Unido, Jun. 1999.
11. CAMPBELL, J.D., Optimized Coolant Application. Technical Paper, MR95 -211, Society of Manufacturing Engineers, 1995.
12. BRINKSMEIER, E., HEINZEL, C., WITTMANN, M., SCHMID, U., DREYER, M., RATH, H. J. Como a aplicação do fluido refrigerante pode ser melhorada na retificação. Revista Máquinas & Metais, out. 2001, p. 34-41.
13. RAMESH, K.; YEO, S. H.; ZHONG, Z. W.; SIM, K. C. Coolant shoe development for high efficiency grinding. Journal of Materials Processing Technology, 2001, p. 240-245.
14. BELLOWS, G. Low stress grinding – For quality production. Machining Process Series, Metcut Research Associates Inc., Second Edition, Cincinnati, Ohio, 1983, p.49 -95.
15. BIANCHI, E. C.; AGUIAR, P. R.; CATAI, E. C. Otimização do processo de retificação pela análise da quantidade de fluido de c orte aplicada. Universidade Estadual Paulista – Pedido de Auxílio à Pesquisa, Bauru, jan. 2002.
MANNERS OPTIMAZATED OF APPLICATION OF CUTTING FLUIDS IN THE
GRINDING OF METALS
R. E. Catai (1), E. C. Bianchi, P. R. de Aguiar
(1)
e-mail: rcatai@feb.unesp.br, Av. Eng. Luiz Edmundo Carrijo Coube, S/No/C.P. 473 CEP: 17033-360, Bauru, SP, Brazil
UNESP - State University from São Paulo – Campus of Bauru
ABSTRACT
With the appearance of new technologies, become more important the search for news knowledges. When it is requested precision or quality in the final surfaces of the samples, a optimization of grinding process should be used. Through of the optimization of process, with the use of specials devices like deflectors and air scrapers, minors will be the waste of the tools, the cutting forces and the amount of cutting fluids that will be used, what is interesting, because the fluid represents a great portion of the final cost in the grinding process of metals. In this article, will be presented a literary revision contends some manners of doing the optimization of grinding process.
