UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO DO DESEMPENHO DE
NANOLUBRIFI-CANTES NO TORNEAMENTO DO
AÇO-FERRA-MENTA AISI D6 TEMPERADO E REVENIDO
ERIC RAMALHO FERREIRA DE CARVALHO
NATAL- RN, 2020
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO DO DESEMPENHO DE
NANOLUBRIFI-CANTES NO TORNEAMENTO DO
AÇO-FERRA-MENTA AISI D6 TEMPERADO E REVENIDO
ERIC RAMALHO FERREIRA DE CARVALHO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Me-cânica (PPGEM) da Universidade Fede-ral do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA
MECÂ-NICA, orientado pela Profa. Dra. Salete
Martins Alves e coorientado pelo Prof. Dr. Anderson Clayton Alves de Melo.
NATAL - RN
2020
Carvalho, Eric Ramalho Ferreira de.
Estudo do desempenho de nanolubrificantes no torneamento do aço-ferramenta AISI D6 temperado e revenido / Eric Ramalho Ferreira de Carvalho. - 2020.
116f.: il.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, Natal, 2020.
Orientadora: Dra. Salete Martins Alves.
Coorientador: Dr. Anderson Clayton Alves de Melo.
1. Torneamento duro - Dissertação. 2. Aço-ferramenta AISI D6 Dissertação. 3. Nanolubrificantes Dissertação. 4. MQL -Dissertação. I. Alves, Salete Martins. II. Melo, Anderson Clayton Alves de. III. Título.
RN/UF/BCZM CDU 621 Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
ESTUDO DO DESEMPENHO DE NANOLUBRIFICANTES
NO TORNEAMENTO DO AÇO- FERRAMENTA AISI D6
TEMPERADO E REVENIDO
ERIC RAMALHO FERREIRA DE CARVALHO
Dissertação APROVADA pelo Programa de Pós-Graduação em
En-genharia Mecânica (PPGEM) da Universidade Federal do Rio Grande
do Norte
Banca Examinadora da Dissertação
Profa. Dra. Salete Martins Alves ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientador
Prof. Dr. Anderson Clayton Alves de Melo ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Coorientador
Prof. Dr. Eduardo Carlos Bianchi ___________________________
Universidade Estadual Paulista – Avaliador externo
Dedicatória
Dedico este trabalho à memória de meu pai, Irineu Liberalino de Carvalho, à minha mãe, Eliane Ramalho Ferreira de Carvalho e à minha esposa, Aline Nascimento Lins.
Agradecimentos
Meus sinceros agradecimentos a todos que contribuíram direta ou indireta-mente para o desenvolvimento deste trabalho, aos quais presto minha homenagem:
À minha mãe, Eliane Ramalho Ferreira de Carvalho, a maior responsável por tudo que conquistei durante toda minha vida.
À minha esposa, Aline Nascimento Lins, pelo apoio, incentivo, dedicação, pa-ciência, compreensão, por sempre acreditar em mim, e por estar sempre comigo nos bons e maus momentos.
Aos meus familiares que sempre me apoiaram e torceram por mim. Em espe-cial, à minha tia e madrinha, Glória de Lourdes Alencar Melo, e meus primos, Einstein Alencar Melo, Suéllen Alencar Melo e Samara Alencar Melo.
Aos meus orientadores, professora Dra. Salete Martins Alves e professor Dr. Anderson Clayton Alves de Melo, por toda orientação e ensinamentos durante o de-senvolvimento deste trabalho, e principalmente por toda a paciência, dedicação e compreensão.
Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (PPGEM/UFRN), Dr. Adilson José de Oliveira e Dr. Nicolau Apoena Castro, pela disponibilidade em ajudar sempre que foi necessário.
Aos professores do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte – Campus de Parnamirim (IFRN – Câmpus de Parnamirim), Prof. Msc. Roberto Klecius Mendonça Fernandes, Prof. Dr. Raphael Fontes e o Prof. Dr. Felipe de Oliveira, por terem viabilizado a realização de parte de meus experimentos no Laboratório de Usinagem desta instituição, bem como ao técnico Sandro Alves Pereira, por ter me acompanhado durante os testes de torneamento.
Aos professores, Msc. Vinícios Pinto (IFRN – Campus de Santa Cruz) e Dr. José Hilton Ferreira da Silva (UFPB – Campus de João Pessoa), por terem auxiliado no preparo do corpo de prova do aço-ferramenta AISI D6 temperado e revenido.
A todos os técnicos do Laboratório de Manufatura da UFRN, em especial aos técnicos João Maria Alves Frazão e Francisco Chavier Ribeiro Batista, por estarem sempre disponíveis a ajudar nas demandas técnicas referentes ao desenvolvimento deste trabalho.
Aos colegas de laboratório e de mestrado, que estiveram sempre dispostos a ajudar quando preciso, em especial aos colegas Artur Wivys de Araujo Soares, Fran-cisco Alves Maia de Almeida Junior, Marcos Vinícius de Oliveira e Matheus Emmanuel Pereira Fernandes.
A Sandivik Coromant, pela doação do porta-ferramenta.
O PPGEM por toda estrutura fornecida para o desenvolvimento deste traba-lho.
O Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro.
O primeiro pecado da humanidade foi a fé; a primeira virtude foi a dúvida. (Carl Sagan)
Carvalho, E.R.F. Estudo do desempenho de nanolubrificantes no torneamento
do aço-ferramenta AISI D6 temperado e revenido. 2020. 116 p. Dissertação de
Mestrado (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2020.
Resumo
Os fluidos de corte à base de óleo mineral são largamente utilizados nos processos de usinagem devido às suas propriedades lubrirrefrigerantes. A utiliza-ção desses fluidos, embora bastante vantajosa ao processo, vem sendo questio-nada devido à presença de substâncias tóxicas em sua composição que causam danos ao meio ambiente e à saúde do trabalhador. Nesse contexto, este trabalho tem como principal objetivo avaliar e comparar o desempenho de três nanolubrifi-cantes de base vegetal (óleo de soja epoxidado) com adição diferentes nanopartí-culas (CuO, aC:H e CuO + aC:H), aplicados por MQL no torneamento do aço-fer-ramenta AISI D6 temperado e revenido. Para isso, foram realizados testes de fa-ceamento com parâmetros de corte constantes (vc = 100 m/min, ap = 0,3 mm e f =
0,1 mm/rot.) com insertos sólidos de PCBN. Para fins de comparação, foram reali-zados testes com uma emulsão de óleo mineral aplicada por jorro e com o óleo vegetal puro (sem adição de nanopartículas) aplicado por MQL. Investigou-se a rugosidade média (Ra) da superfície usinada, o desgaste de flanco e os mecanis-mos de desgaste das arestas de corte, a forma e aparência dos cavacos. O nano-fluido de aC:H e o híbrido (CuO + aC:H), proporcionaram uma vida da aresta su-perior quando comparado a condição a seco, bem como cavacos com maior grau de recalque, o que indica menores esforços para a formação do cavaco. Entretanto, o nanofluido de CuO não apresentou diferença significativa em relação às outras condições nesse critério de avaliação. Do ponto de vista da rugosidade, a condição jorro foi a que apresentou os menores valores, as condições MQL apresentaram valores menores do que os obtidos com a usinagem a seco, mas sem diferença significativa entre elas.
Palavras-chave: Torneamento duro, Aço-ferramenta AISI D6, Nanolubrificantes, MQL.
Carvalho, E.R.F. Study of nanolubricants performance in the turning of AISI
D6 tool steel. 2019. 116 p. Master’s Dissertation in Mechanical Engineering -
Fed-eral University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.
Abstract
Emulsions based on mineral oil are widely used in machining processes because their appropriate lubri-cooling properties. Nevertheless, the use of these cutting fluids has been questioned because they can cause damage to the environ-ment and the workers’ health. This issue has motivated the emergence of regulating laws to limit the use them. In this context, this work aimed at evaluating and com-parting the performance of three different vegetable-based nanolubricants (epox-idized soybean oil) with the addition of three different nanoparticles (CuO, aC:H and CuO + aC: H), applied to the hard turning of quenched and tempered AISI D6 tool steel using MQL technique. Thus, turning tests at constant cutting parameters (vc =
100 m/min, ap = 0.3 mm and f = 0.1 mm/rot.) with solid PCBN cutting tools were
performed. For comparison, turning tests under wet machining (using an oil-based emulsion) and assisted by a vegetable oil (without any nanoparticles) applied under MQL were also performed. The workpiece surface average roughness (Ra), the tool
flank wear and wear mechanisms and the morphology of the chips were the output parameters. The aC:H and the hybrid (CuO + aC:H) nanofluids provided longer cut-ting tool life and higher chip thickness ratio as compared to the dry machining, which may indicate lower cutting forces during chip formation. However, the CuO nanofluid did not provide major difference in relation to the other lubri-cooling con-ditions in this evaluation criterion. With regard to the average roughness, the wet machining provided the lowest values, the MQL conditions gave lower values as compared with the dry machining, but without significant difference between them.
Lista de Ilustrações
Figura 1 – Custos de usinagem. ... 8 Figura 2 – Sistemas MQL de duas vias a) e uma via b) ... 13 Figura 3 – Métodos de aplicação do fluido de corte pela técnica MQL. (a) Aplicação externa e (b) Aplicação interna. ... 14 Figura 4 – Rugosidade da superfície usinada em função da condição de lubrirrefrigeração, da velocidade de corte e do avanço. ... 16 Figura 5 – Componentes da força de usinagem em função da condição de lubrirrefrigeração, da velocidade de corte e do avanço. ... 17 Figura 6 – Evolução do desgaste de flanco VBB, em função do tempo de corte. ... 19
Figura 7 – Regiões atingidas pelo fluido de corte aplicado por MQL. ... 20 Figura 8 – Variação da temperatura na interface cavaco-ferramenta em função da velocidade de corte para diferentes condições de lubrirrefrigeração e avanço: a) f = 0,16 mm/rot; b) f= 0,18 mm/rot. ... 23 Figura 9 – Variação do desgaste de flanco da ferramenta em função do tempo para diferentes condições de lubrirrefrigeração. ... 24 Figura 10 – Variação da força de corte (a), rugosidade da superfície usinada (b) e temperatura de corte (c) em função do método de lubrirrefrigeração e da velocidade de corte. ... 25 Figura 11 – Evolução do desgaste de flanco em função do comprimento de corte. . 27 Figura 12 – Evolução da rugosidade em diferentes condições de lubrificação em função do comprimento de corte. ... 28 Figura 13 – Componentes das forças de usinagem para diferentes condições de lubrirrefrigeração, no decorrer do ensaio. ... 29 Figura 14 – Desgaste de flanco para diferentes condições de lubrirrefrigeração e parâmetros de corte. ... 30
Figura 15 – Rugosidade para diferentes condições de lubrirrefrigeração e parâmetros de corte. ... 31 Figura 16 – Imagens de nanopartículas de CuO em nanofluidos obtidos pelo método de um passo (a) e de dois passos (b). ... 35 Figura 17 – Mecanismos de atuação das nanopartículas em sistemas tribológicos. 36 Figura 18 – Valores de coeficiente de atrito (a) e rugosidade superficial (b) para diferentes tipos de nanofluidos. ... 39 Figura 19 – Valores de rugosidade superficial para diferentes condições de lubrirrefrigeração em diferentes velocidades de corte na usinagem da liga Ti-6Al-4V. ... 43 Figura 20 – Influência da condição de lubrirrefrigeração na temperatura de corte, (a), e no grau de recalque, (b), para diferentes velocidades de corte na usinagem da liga Ti-6Al-4V. ... 43 Figura 21 – Força de corte para diferentes nanofluidos. ... 44 Figura 22 – Evolução do desgaste de flanco para diferentes nanofluidos em função do número de passes. ... 46 Figura 23 – Desgaste no flanco e na superfície de saída da ferramenta para diferentes nanolubrificantes: a) e c) Al2O3; b) e d) CuO. ... 47
Figura 24 – Quantidade de artigos científicos publicados por ano sobre o uso de nanolubrificantes em processos de usinagem... 49 Figura 25 – Pesquisas realizadas com nanolubrificantes de acordo com o processo de usinagem. ... 50 Figura 26 – Nanopartículas mais utilizadas na composição dos nanolubrificantes. .. 50 Figura 27 – Metodologia aplicada para o desenvolvimento do trabalho. ... 52 Figura 28 – Nanolubrificantes. ... 53 Figura 29 – Imagem de MET das Nanopartículas: a) CuO e b) aC:H. ... 54
Figura 30 – Corpos de prova e suas dimensões (mm). ... 55
Figura 31 – Máquina-ferramenta usada nos testes de torneamento. ... 56
Figura 32 – Microestrutura de um inserto de PCBN classe CB7925. ... 56
Figura 33 – Sistema MQL usado. ... 58
Figura 34 – Sistema MQL (vista detalhada). ... 58
Figura 35 – Teste de medição de vazão do sistema MQL. ... 60
Figura 36 – Fluxograma dos testes de torneamento. ... 61
Figura 37 – Regiões consideradas para a medição da rugosidade. ... 62
Figura 38 – Estação de medição para desgaste de flanco (VBC) da aresta usinada. 63 Figura 39 - Monitoramento do desgaste de flanco VBC sob diferentes condições de lubrirrefrigeração. ... 66
Figura 40 - Curva de tendência de desgaste para os pontos obtidos durante a primeira repetição na condição MQNL (aC:H). ... 67
Figura 41 - Intervalo de confiança para a vida útil da aresta de corte para as diferentes condições de lubrirrefrigeração investigadas. ... 68
Figura 42 - Imagens obtidas por MEV das arestas desgastadas sob as diferentes condições de lubrificação estudadas. ... 69
Figura 43 - Análise EDS para a região desgastada da aresta que usinou na condição Jorro. ... 71
Figura 44 - Análise EDS para a região desgastada da aresta que usinou na condição MQNL (CuO). ... 72
Figura 45 - Análise EDS para a região desgastada da aresta que usinou na condição MQNL (CuO + aC:H). ... 73
Figura 46 - Análise EDS para a região desgastada da aresta que usinou na condição MQNL (aC:H). ... 74
Figura 47 - Análise EDS para a região desgastada da aresta que usinou na condição a seco. ... 74 Figura 48 - Análise EDS para a região desgastada da aresta que usinou na condição a MQL. ... 75 Figura 49 - Mapeamento EDS da região da cratera da aresta que usinou na condição MQNL (CuO). ... 76 Figura 50 - Mapeamento EDS da região da cratera da aresta que usinou na condição MQNL (CuO + aC:H). ... 77 Figura 51 - Rugosidade em função do tempo de usinagem para as diferentes condições de lubrirrefrigeração. ... 79 Figura 52 - Cavacos coletados no início do ensaio para as diferentes condições de lubrifirrefrigeração. ... 84 Figura 53 - Intervalo de confiança (IC) para os graus de recalque (Rc), obtidos para as
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Torneamento duro em diferentes condições de lubrirrefrigeração. ... 10
Tabela 2 – Estudos recentes utilizando nanofluidos em diferentes processos de usinagem. ... 32
Tabela 3 – Trabalhos recentes utilizando nanofluidos como lubrirrefrigerantes durante no torneamento duro. ... 39
Tabela 4 - Propriedades do Óleo de Soja Epoxidado. ... 53
Tabela 5 - Composição química do aço-ferramenta AISI D6. ... 54
Tabela 6 - Especificações técnicas da pastilha ... 57
Tabela 7 - Geometria do conjunto incerto-suporte. ... 57
Tabela 8 - Especificações técnicas do sistema MQL. ... 59
Tabela 9 - Parâmetros de corte usados nos testes de faceamento. ... 60
Tabela 10 - Parâmetros usados na aplicação dos fluidos por MQL e MQNL. ... 62
Tabela 11 - Valores utilizados no cálculo do intervalo de confiança para a variável aleatória “vida útil da aresta de corte”. ... 67
Tabela 12 - Valores de rugosidade média (Ra) para as diferentes condições de lubrirrefrigeração. ... 78
Tabela 13 - Classes de Rugosidade. ... 79
Tabela 14 - Valores-P para ANOVA’s realizadas para os diferentes grupos considerando a rugosidade média após a primeira passada. ... 81
Tabela 15 - Valores de P para ANOVA’s realizadas para os diferentes grupos considerando a rugosidade medida no fim de vida da aresta de corte. ... 81
Sumário
1 Introdução ... 1
2 Revisão Bibliográfica ... 5
2.1 Lubrirrefrigeração no Torneamento Duro ... 5
2.2 Usinagem com MQL ... 12
2.2 Óleos vegetais ... 21
2.3 Nanolubrificantes ... 31
2.4 Estatística das publicações estudadas na revisão ... 48
3 Materiais e Métodos ... 52
3.1 Materiais ... 52
3.2 Métodos ... 59
4 Resultados e Discussões ... 65
4.1 Análise do desgaste (VBC) das arestas de corte ... 65
4.2 Análise de Rugosidade ... 77
4.3 Análise de Cavacos ... 83
5 Conclusões ... 87
6 Sugestões para trabalhos futuros ... 88
1 Introdução
Os fluidos de corte são comumente utilizados nos processos de usinagem por auxiliarem na redução do atrito, da temperatura de corte e do desgaste da ferramenta, proporcionando assim uma maior produtividade e qualidade dos produtos obtidos (TALIB e RAHIM, 2016). Atuam de forma efetiva na lubrirrefrigeração das interfaces cavaco-ferramenta e ferramenta-peça, além de auxiliarem no processo de remoção dos cavacos (SHARMA et al., 2017).
É de fundamental importância que o descarte desses fluidos ocorra de forma adequada, com o devido tratamento prévio, evitando assim graves danos ambientais (PUSAVEC et al., 2010; DEBNATH et al., 2014; BART et al., 2013). Além de efeitos nocivos ao meio ambiente, o uso de fluidos de corte convencionais também gera pro-blemas relacionados à saúde humana. Segundo o Instituto Nacional de Saúde e Se-gurança Ocupacional dos EUA (NIOSH) (2013), as exposições ocupacionais a fluidos de usinagem podem causar uma variedade de efeitos nocivos para a saúde. Os tra-balhadores podem ser expostos aos fluidos respirando aerossóis gerados no processo de usinagem ou pelo contato com a pele ao manusear peças, ferramentas e equipa-mentos cobertos com os fluidos. As condições respiratórias incluem pneumonite (in-flamação no pulmão) por hipersensibilidade (HP), bronquite crônica, função pulmonar prejudicada e asma. A asma relacionada ao trabalho (WRA) é um dos distúrbios ocu-pacionais mais prevalentes da atualidade, impondo custos significativos em saúde e compensação de trabalhadores. As exposições dermatológicas são mais comumente associadas a dermatite alérgica e irritante (erupção cutânea) mas não se limitam a esse tipo de doença, evidências substanciais mostram que as exposições anteriores a alguns fluidos de usinagem foram associadas ao aumento do risco de alguns tipos de câncer. O NIOSH (2013) também alerta para o fato de cerca de 1,2 milhões de trabalhadores americanos, estarem potencialmente expostos aos fluidos de corte usa-dos em processos de usinagem.
Baseado nos problemas oriundos da utilização dos fluidos de corte convenci-onais na indústria, países como Canadá, Japão, Suíça, EUA e ainda a União Europeia (UE), vêm criando regulamentações que visam restringir o uso de fluidos de base
mi-neral, gerando assim uma demanda por métodos de lubrificação considerados sus-tentáveis (BARTZ, 2006). Na esteira desta demanda surge o conceito de manufatura sustentável, que consiste em:
Fabricação de produtos por processos economicamente viáveis, que minimi-zem os efeitos negativos no meio ambiente, conservem energia e recursos naturais, garantindo a segurança dos empregados, da comunidade e dos con-sumidores (Agência de Proteção Ambiental dos EUA, 2019).
Seguindo o conceito anterior, a usinagem sustentável busca apresentar for-mas alternativas aos métodos convencionais de lubrirrefrigeração, tais como a remo-ção total dos fluidos de corte do processo (usinagem a seco), a reduremo-ção do consumo destes fluidos (aplicação da técnica MQL – Mínima Quantidade de Lubrificação) ou a substituição de fluidos convencionais por outros considerados menos agressivos (ni-trogênio líquido, nanofluidos, óleos vegetais, etc.).
A usinagem a seco pode ser considerada a técnica mais adequada do ponto de vista ambiental. Nesse caso não existe a aplicação de qualquer fluido lubrirrefrige-rante. Embora ambientalmente correta, há situações em que a usinagem a seco se torna economicamente inviável devido às altas taxas de desgaste da aresta de corte motivadas pelo atrito e pelas altas temperatura produzidas nas interfaces envolvidas no processo de formação do cavaco. Segundo Sadeghi et al. (2009), a alta taxa de desgaste na usinagem a seco se torna crítica particularmente quando se deseja atingir tolerâncias dimensionais mais estreitas e quando se usina materiais com baixo índice de usinabilidade. De acordo com Bartarya e Choudhury (2012), o torneamento duro (HRC > 45) costuma ser realizado a seco, mas a utilização de métodos lubrirrefrige-rantes pode promover melhorias ao processo. Em virtude disso, vários pesquisadores vêm estudando diferentes métodos de lubrirrefrigeração no torneamento duro (YILDI-RIM, 2020; ELBAH et al. 2019; BONFÁ et al. 2019; DAS et al., 2019; Leadebal et al. 2019; Leadebal et al., 2018) com foco na promoção de bons resultados técnico, eco-nômico e ambiental.
A técnica que mais se aproxima da usinagem a seco é a MQL, a qual consiste na aplicação de quantidades mínimas de fluido de corte pulverizadas com o auxílio de ar comprimido através de bocais cuidadosamente direcionados nas regiões deseja-das. Segundo Autret e Liang (2003), as vazões de trabalho variam entre 50 e 500 ml/h.
Essa técnica vem sendo bastante estudada nas últimas décadas, apresentando resul-tados semelhantes e, em alguns casos, superiores à usinagem com aplicação de flu-ido em abundância no que se refere à vida útil da ferramenta de corte, rugosidade da superfície usinada, força de usinagem e temperatura de corte (HADAD e SADEGUI, 2013; TAZEHKANDI et al., 2015; LOHAR e NANAVATY 2013).
Ainda que apresente um consumo reduzido e dispense gastos com recircula-ção e descarte de fluidos, a técnica MQL, se usada com fluidos convencionais, man-tém os problemas relacionados à toxicidade destes. A forma pulverizada na qual o fluido é aplicado nesta técnica, facilita a inalação de componentes tóxicos por parte dos trabalhadores (ZHANG et al., 2015). Assim, a busca por soluções que viáveis que substituam os fluidos de corte convencionais se faz necessária, mesmo quando apli-cados em quantidades mínimas. Nesse sentido, os óleos de base vegetal vêm se mostrando como uma boa alternativa. Esses óleos possuem boa biodegrabilidade, não são tóxicos, apresentam alto rendimento e fontes de obtenção abundantes (LUNA
et al., 2011). Comparado com o óleo mineral, o óleo vegetal tem ponto de ebulição e
peso molecular mais elevados, o que diminui de forma relevante sua perda na atomi-zação e gaseificação, processos importantes na utiliatomi-zação de óleos vegetais aplicados por MQL (ZHANG et al., 2015).
O uso de nanofluidos em processos de usinagem vem ganhando bastante destaque em pesquisas recentes como alternativa ao uso de fluidos convencionais e seus métodos de aplicação. Quem primeiro apresentou os nanofluidos à comunidade científica foi Choi e seus colaboradores (1995), destacando suas excelentes proprie-dades de condutividade térmica, tornando-os viáveis para aplicações em processos de usinagem. Desde então, diversas investigações vêm sendo realizadas com aplica-ção de nanofluidos em operações de usinagem como meio de lubrirrefrigeraaplica-ção (SHARMA et al., 2016; RAHMAN et al., 2019; ZHANG et al., 2015; KRISHNA et al., 2010; YIN et al., 2018). A origem das nanopartículas usadas na composição dos na-nofluidos e suas concentrações, bem como a base fluida e os métodos de preparo destas vêm sendo estudados no alto desempenho desses fluidos. Os nanofluidos, especialmente aqueles à base de óleo vegetal, por serem ambientalmente corretos e proporcionarem desempenho tribológico superior ao dos lubrificantes de base mineral, já são considerados como um dos substitutos dos fluidos de corte convencionais (RHAMAN et al., 2019).
Nesse sentido, o estudo do desempenho de lubrirrefrigerantes que se apre-sentem como alternativas aos fluidos de corte convencionais, combinados a formas de aplicação que minimizem os danos ambientais e diminuam o consumo, proporcio-nando maior economia sem que haja prejuízo ao processo, se torna necessário.
Dessa forma, o presente trabalho teve como principal objetivo avaliar e com-parar o desempenho de três nanolubrificantes de mesma base vegetal (óleo de soja epoxidado) e diferentes nanopartículas (CuO, aC:H e CuO + aC:H), aplicados por MQL no torneamento do aço-ferramenta AISI D6 temperado e revenido com insertos de PCBN. Como variáveis de saída foram monitorados o desgaste da ferramenta de corte (VBC), a rugosidade média da superfície usinada (Ra) e a morfologia dos
cava-cos.
Como objetivos específicos, pode-se listar:
Verificar se as nanopartículas usadas são capazes de auxiliar na redu-ção da taxa de desgaste dos insertos testados;
Verificar se as nanopartículas usadas promovem alteração nos meca-nismos de desgaste apresentadas por outras condições de lubrificação; Verificar se as nanopartículas usadas são capazes de proporcionar
me-lhorias na rugosidade média da superfície usinada;
Verificar se as nanopartículas usadas têm influência no processo de formação dos cavacos;
Investigar se a utilização dos nanolubrificantes aplicados por em MQL pode se configurar como uma técnica apropriada para a substituição de fluidos de corte de base mineral aplicados por jorro.
2 Revisão Bibliográfica
Este capítulo apresenta uma revisão sobre os principais assuntos que envol-vem o tema central deste trabalho. Inicia-se com breve abordagem sobre a lubrirrefri-geração no torneamento duro. Na sequência são apresentados os principais lubrirre-frigerantes e métodos de lubrirrefrigeração que vêm se apresentando como alternati-vas aos fluidos e métodos convencionais. Apresenta-se também uma série de estudos e resultados acerca do tema do presente trabalho, ratificando a importância de novos estudos na área. Por fim, apresenta-se um resumo quantitativo de trabalhos publica-dos na área na última década e que foram citapublica-dos nesta revisão.
2.1 Lubrirrefrigeração no Torneamento Duro
Os processos de usinagem convencionais são caracterizados pela retirada de material da peça na forma de cavacos através de movimentos relativos entre está e uma ferramenta de corte, visando à obtenção de formas, dimensões e acabamento superficial pré-determinados. Durante esse processo, uma grande quantidade de energia térmica surge devido ao atrito nas zonas de cisalhamento primária, secundária e de interface peça-ferramenta. A energia térmica que se desenvolve nas operações de usinagem influencia diretamente na taxa de desgaste e na redução da vida da ferramenta de corte, sendo um fator que pode limitar a taxa de remoção de material (TRENT e WRIGHT, 2000).
O torneamento de materiais com dureza entre 45 e 68 HRC é comumente chamado de “torneamento duro”. Através desse processo, é possível obter acaba-mentos superficiais tão bons ou superiores aos obtido pelo processo de retificação, com maiores taxas de remoção de material (BARTARYA e CHOUDHURY, 2012).
Segundo Tiwari et al. (2019), as elevadas temperaturas atingidas durante o torneamento duro, acelera o fim de vida da aresta de corte, o que acaba comprome-tendo o acabamento da superfície usinada. Apesar do torneamento de aços endure-cidos a seco, por exemplo, ser uma prática comum no meio industrial, normalmente o processo é realizado com uso de insertos de preços relativamente elevados, tais como os de PCBN. Assim, sabendo das consequências negativos das altas temperaturas que ocorrem no torneamento duro, suas consequências na taxa de desgaste da aresta
de corte e os altos valores envolvidos com a aquisição de ferramentas, qualquer ten-tativa de maximizar a vida das arestas que seja técnica e economicamente viável, deve ser considerada. Nesse sentido, os fluidos de corte surgem como principal alter-nativa.
O primeiro fluido utilizado como lubrirrefrigerante em processos de usinagem foi a água. Em 1890, F.W. Taylor usou o líquido para resfriar a ferramenta, mas ob-servou duas desvantagens na sua utilização: (i) promove oxidação e (ii) possui baixas propriedades lubrificantes (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 1999). A partir dos pri-meiros estudos, verificou-se que um bom fluido de corte deveria apresentar boas pro-priedades refrigerantes e lubrificantes de forma conjunta. Trent e Wright (2000) listam as principais funções do fluido de corte como segue:
Melhorar o acabamento da superfície usinada; Aumentar o tempo de vida da ferramenta;
Prevenir o superaquecimento da peça, da máquina e do material de trabalho, evitando assim deformações;
Auxiliar na remoção do cavaco.
Machado et al. (2009) classifica os fluidos de corte da seguinte forma:
Óleos: Podem ser de origem vegetal, animal ou mineral. Os mais utilizados são os óleos minerais obtidos através do refino de petróleo. Estes possuem boas propriedades lubrirrefrigerantes, mas são pre-judiciais ao meio ambiente e à saúde humana;
Emulsões: São misturas de óleos e água, onde a proporção pode variar de 1 a 20% de óleo em água. Necessitam da presença de um agente emulsificante. Possuem alto poder de refrigeração, mas mo-derada capacidade de lubrificação;
Soluções: São compostos monofásicos que se dissolvem completa-mente na água sem a necessidade de agentes emulsificantes. Tam-bém conhecidas como “fluidos sintéticos”, caracterizam-se por serem isentas de óleo mineral. Contém aditivos que melhoram ou conferem
novas propriedades ao fluido. Os fluidos sintéticos comuns possuem boas propriedades anticorrosivas e refrigerantes. Os mais complexos possuem ainda boas propriedades lubrificantes.
Semissintéticos: Formadores de emulsão, se caracterizam por apresentar entre 5 e 50% de óleo mineral no fluido concentrado, além de aditivos e compostos químicos que se dissolvem na água. Devido a menor quantidade de óleo e a presença de biocidas, estes fluidos apresentam uma maior vida útil e menor risco para a saúde do tra-balhador.
Mesmo com as indiscutíveis vantagens obtidas com o uso de fluidos de corte nos processos de usinagem, existem problemas relacionados à sua utilização que motivam diversos estudos em busca de formas alternativas para substituí-los ou me-lhor adequá-los às exigências atuais (DARMINESH et al.,2017). Tais problemas estão associados principalmente à toxicidade presente na maioria destes fluidos (AGGAR-WAL et al., 2008) e ao alto consumo (ABDALLA et al., 2007), este último impulsionado principalmente pelo desenvolvimento industrial e pela busca crescente por alta produ-tividade.
O alto consumo é certamente uma questão que vem sendo analisada por parte dos pesquisadores, visto que na maioria dos processos de usinagem que utili-zam fluidos de corte convencionais, estes são aplicados de forma abundante, po-dendo atingir 240 litros/hora (LISBOA et al., 2013). Mesmo estes fluidos sendo rea-proveitados no processo, o custo de sua utilização representa um percentual signifi-cativo dos custos totais de usinagem que pode chegar a 16%. A figura 1 mostra a distribuição destes custos. Observa-se que os custos com fluidos de corte abrangem os custos totais envolvidos desde sua compra ao seu descarte, neste meio estão in-clusos gastos com energia, equipamentos e pessoal. Os custos de descarte variam de acordo com as exigências da legislação de cada país.
Figura 1 – Custos de usinagem.
Fonte: adaptado de Astakhov, (2017).
Uma outra questão que atualmente vai de encontro ao uso de fluidos de corte convencionais é a existência de legislações ambientais austeras em vários países, as quais buscam restringir o uso de determinados compostos utilizados nesses fluidos por serem prejudiciais ao meio ambiente e tóxicos ao trabalhador (BARTZ, 2006). Com base nestas restrições, e na crescente preocupação com a preservação do meio am-biente e dos recursos naturais, surgiu nas últimas décadas o conceito de usinagem sustentável. Segundo Rahim et al. (2015), a usinagem sustentável visa promover mu-danças nas práticas ligadas aos processos de usinagem com o intuito de torná-los mais favoráveis ao meio ambiente, reduzindo os custos de fabricação, o consumo de energia e a produção de resíduos. Dentre as alternativas consideradas pela usinagem sustentável como alternativas aos métodos convencionais de lubrirrefrigeração pode-se destacar:
Usinagem a seco; Usinagem criogênica; Usinagem com MQL;
A usinagem a seco, como o próprio nome indica, não utiliza qualquer tipo de lubrirrefrigerante no processo. Isso faz deste método de usinagem o mais correto do ponto de vista ambiental. Todavia, sua utilização pode se tornar inviável economica-mente a depender do tipo de material usinado e dos parâmetros de corte utilizados, devido ao desgaste excessivo das ferramentas provocado, principalmente, pelas se-veras condições de atrito e temperatura. De acordo com Sadeghi et al. (2009), isso ocorre particularmente quando se deseja atingir tolerâncias dimensionais mais estrei-tas e quando se usina materiais com baixo índice de usinabilidade. Segundo Bartarya e Choudhury (2012), o torneamento duro costuma ser realizado a seco, mas a utiliza-ção de métodos lubrirrefrigerantes pode promover melhorias ao processo.
Tendo em vista as limitações da usinagem a seco, pesquisadores vêm estu-dando diferentes meios de lubrirrefrigeração que apresentem eficiência técnica com baixo impacto ao meio ambiente e à saúde do trabalhador, dentre os quais a usinagem criogênica. Essa técnica de lubrirrefrigeração utiliza gases liquefeitos (com tempera-turas sub-zero) como fluido de corte. Leadebal Jr. (2017) utilizou nitrogênio líquido (LN2) como fluido de corte no torneamento longitudinal do aço-ferramenta AISI D6
temperado e revenido (57 HRC) com insertos de PCBN. Como variáveis de saída foram analisadas, entre outras, a rugosidade média da superfície usinada (Ra) e o
desgaste de flanco da ferramenta de corte (VBC). Testes a seco também foram
reali-zados com objetivo de comparação. Os autores observaram que a usinagem assistida por LN2 proporcionou menor desgaste da ferramenta de corte e redução da rugosidade
da superfície usinada (Ra) em até 41,01%. O autor atribuiu os resultados à redução
de temperatura promovida pelo LN2 na região de corte. No caso da redução do
des-gaste da ferramenta, o nitrogênio líquido seria capaz de manter a resistência à abra-são e à difuabra-são do material da mesma em níveis inferiores àqueles encontrados na usinagem a seco, acarretando assim em uma menor taxa de desgaste da aresta de corte. Em relação à rugosidade, foi verificado que as alturas dos picos de rugosidade na usinagem com LN2 eram menores do que na usinagem a seco, o que contribuiu
para a obtenção de menores valores de rugosidade média (Ra).
A usinagem por MQL é outra técnica considerada sustentável e, portanto, uma alternativa aos métodos convencionais de lubrirrefrigeração no torneamento duro. Sua utilização pode ser associada com o uso de lubrirrefrigerantes biodegradáveis ou
ainda nanolubrificantes biodegradáveis, o que torna o processo ainda mais vantajoso do ponto de vista ambiental e de desempenho na usinagem.
A tabela 1 traz uma lista-resumo de trabalhos que avaliaram o torneamento duro em diferentes condições de lubrificação. Alguns destes trabalhos serão discuti-dos mais detalhadamente nos tópicos seguintes.
Tabela 1 – Torneamento duro em diferentes condições de lubrirrefrigeração.
Autor Material Ferramenta
Condição de lubrirrefrige-ração
Parâmetros de
corte Principais resultados
Yıldırım (2020) AISI 420 (624 HV)
Metal duro re-vestido (SNMG 120404-MF) Lubrificação criogênica (LN2) MQNL (Nano pla-cas de Gra-feno - GnP) 𝑉𝑐 (m/min): 75 – 100 – 125; 𝑓 (mm/rot): 0,05 – 0,1 – 0,15; 𝑎𝑝 (mm): 1. A lubrirrefrigeração criogênica foi melhor nos seguintes crité-rios: temperatura de interface cavaco-fer-ramenta, vida útil e desgaste da ferra-menta e morfologia do cavaco. A lubrirre-frigeração com nano-fluido (GnP) apresen-tou melhor rugosi-dade média e topo-grafia superficial. Elbah et al. (2019) AISI 4140 (60 HRC) Cerâmica (CC6050) A seco Jorro MQL 𝑉𝑐 (m/min): 80 – 120 – 170; 𝑓 (mm/rot): 0,08 – 0,12 – 0,16; 𝑎𝑝 (mm): 0,15 – 0,30 – 0,45. A força de usinagem foi menor na usina-gem com MQL. Em todas as condi-ções a rugosidade melhorou com o au-mento da velocidade e piorou com o au-mento do avanço. A condição ótima de usinagem foi encon-trada com a maior velocidade e o menor avanço para usina-gem a seco e MQL. A condição a seco resultou na maior vida da ferramenta. Bonfá et al. (2019) AISI D6 (59 HRC) PCBN (SNGA S0103A 7015) MQL (óleo vegetal) A seco 𝑉𝑐 (m/min): 160 – 190 – 250 – 310 – 340 ; 𝑓 (mm/rot): 0,05 – 0,10 – 0,15 – 0,20 – 0,25; 𝑎𝑝(mm): 0,05 A aplicação do fluido de corte por MQL so-bre a superfície de saída da ferramenta mostrou melhores re-sultados em relação
a usinagem a seco. Adesão e abrasão fo-ram os principais me-canismos de des-gaste das arestas de corte. Das et al. (2019) AISI 4340 (47 HRC) Cermet (SNMG 120,408) MQNL (CuO; ZnO, Fe2O3 e Al2O3) 𝑉𝑐 (m/min): 80 – 100 - 120 – 140; 𝑓 (mm/rot): 0,05 – 0,01 – 0,15 – 0,2; 𝑎𝑝 (mm): 0,1 – 0,2 – 0,3 – 0,4.
O nanofluido com na-noparticulas de CuO (0,1%) mostrou me-lhores resultados em relação aos outros nanofluidos avalia-dos (ZnO, Fe2O3 e Al2O3) nos seguintes critérios: acabamento da su-perfície usinada, morfologia dos cava-cos, vida da ferra-menta, microdureza e tensão residual. Musavi et al. (2018) AISI 660 Metal duro (SNMG 120404) A seco Jorro MQL (óleo mineral) MQL (óleo vegetal) MQCL (MQL + LN2) 𝑉𝑐 (m/min): 45 – 70 – 95 ; 𝑓 (mm/rot): 0,12 – 0,22 – 0,32; 𝑎𝑝(mm): 2. A condição MQCL apresentou a melhor rugosidade (Ra) bem como, proporcionou a maior vida da ferra-menta. Em relação a usinagem a seco, a vida da aresta de corte na usinagem por MQCL foi cerca de 200% superior. Bagherzadeh e Budak (2018) Ti6Al4V Inconel 718. Metal duro (TPGN16030 8) MQCL (MQL + CO2) MQL (óleo vegetal) Lubrificação Criogênica (CO2) 𝑉𝑐 (m/min): 100 – 150; 𝑓 (mm/rot): 0,2; 𝑎𝑝(mm): 1. MQCL se mostrou como a técnica de lu-brirrefrigeração mais favorável conside-rando impacto ambi-ental, desgaste da ferramenta, rugosi-dade da superfície usinada, morfologia dos cavacos e forças de corte. Leadebal et al. (2018) AISI D6 (57 HRC) PCBN (SNGA 120412) A seco Criogênica (LN2) 𝑉𝑐 (m/min): 170; 𝑓 (mm/rot): 0,1; 𝑎𝑝(mm): 0,1. A usinagem criogê-nica apresentou um importante papel na modificação da inte-gridade da superfície usinada, resultando em baixos valores de rugosidade. Compa-rada com a gem a seco, a usina-gem criogênica apre-sentou maiores valo-res de microdureza
superficial e tensões residuais compressi-vas. Lohar e Na-navaty. (2013) AISI 4340 (-) CBN (TNMA16040 4) A seco Jorro (óleo convencio-nal) MQL (óleo convencio-nal) 𝑉𝑐 (m/min): 40 – 80 – 120; 𝑓 (mm/rot): 0,05 – 0,075 – 0,10; 𝑎𝑝(mm): 0,5 – 1,0. A condição MQL apresentou os me-lhores resultados para rugosidade, temperatura de corte e força de corte.
O presente estudo combinou o uso de nanolubrificantes de base vegetal, apli-cados por MQL como forma de investigar uma alternativa tecnicamente eficiente e ambientalmente correta à lubrirrefrigeração convencional no torneamento duro do aço-ferramenta AISI D6 temperado e revenido. Este aço tem como características principais: alta estabilidade dimensional e excelente resistência ao desgaste, especi-almente em condições abrasivas. Suas principais aplicações são em matrizes de corte, facas e tesouras de alto rendimento, placas de revestimento de moldes, ferra-mentas para prensagem de pós metálicos, etc (VILLARES, 2009). Devido à sua ele-vada dureza e microestrutura repleta de carbonetos primários do tipo M7C3, pode ser
considerado um material que apresenta baixo índice de usinabilidade e quando usi-nado na ausência de qualquer tipo de lubrirrefrigeração, o aumento excessivo da tem-peratura de corte juntamente com a alta abrasividade, pode acelerar o desgaste da ferramenta (LEADEBAL et al., 2018).
Os tópicos que seguem apresentam em maiores detalhes os métodos de lu-brirrefrigeração usados neste trabalho. Aborda-se, entre outros assuntos, as formas de atuação, as vantagens e desvantagens da utilização dos métodos e os resultados obtidos em diferentes estudos.
2.2 Usinagem com MQL
A técnica MQL consiste na aplicação de um fluido lubrirrefrigerante na zona de corte com mínima quantidade (de 50 a 500 ml/h) (AUTRET e LIANG, 2003). O fluido é misturado com ar comprimido e entregue à zona de corte por meio de bocais
com orifícios de pequeno diâmetro à pressões que variam de 4 a 6,5 bar (JIA et al., 2014). Assim, o fluido de corte é atomizado e entregue na forma de névoa.
Um sistema de aplicação de fluido de corte por MQL é composto basicamente por um compressor, uma ou mais bombas, um reservatório de óleo, bocais de entrega, válvulas pneumáticas (ou eletropneumáticas) e tubulações. Os sistemas MQL podem ser de uma ou duas vias. Nos sistemas de duas vias (figura 2a), ar comprimido e fluido de corte são transportados em canais individuais (que podem ser através de um tubo coaxial) e a mistura ocorre apenas no bocal (MULYAD, 2013). Nos sistemas de uma via (figura 2b), a mistura ocorre em um reservatório chamado de “câmara de mistura” e em seguida é direcionado para o ponto de aplicação.
Figura 2 – Sistemas MQL de duas vias a) e uma via b)
Fonte: adaptado de Mulyad (2013).
Os sistemas MQL citados anteriormente são sistemas externos à máquina-ferramenta. Nesse caso, a aplicação se dá através de bocais que são direcionados para a zona de corte. Entretanto, existem sistemas que são incorporados à máquina-ferramenta (sistemas internos). Nesse caso, a mistura ar–lubrificante é aplicada atra-vés de vias que são internas ao eixo-árvore da máquina-ferramenta (figura 3) (WAL-KER, 2013).
Figura 3 – Métodos de aplicação do fluido de corte pela técnica MQL. (a) Aplicação externa e (b) Aplicação interna.
Fonte: Walker (2013).
A técnica MQL é vista como uma alternativa viável aos métodos convencio-nais de lubrirrefrigeração por proporcionar, além de eficiência técnica, ganhos refe-rentes a aspectos econômicos e ambientais em virtude principalmente do menor con-sumo proporcionado pela técnica e do fato do fluido não ser reaproveitado, dispen-sando qualquer preocupação com seu descarte. Porém, este menor consumo não é uma unanimidade quando comparado com a lubrificação convencional, em alguns ca-sos, a depender da longevidade do fluido convencional, a possibilidade de recircula-ção vai compensar o fato de ser aplicado com grandes vazões, tornando assim seu consumo inferior ao de fluidos aplicados por MQL
Do ponto de vista econômico, a técnica MQL pode trazer benefícios, não so-mente pela baixa quantidade de fluido utilizado, mas também por dispensar uma série de equipamentos e processos para o descarte correto dos resíduos e para a limpeza de peças, cavacos e ferramentas, bem como os gastos com eletricidade na recircula-ção dos fluidos de corte. Estima-se que o custo total de utilizarecircula-ção de métodos de lubrirrefrigeração convencionais represente cerca de 16% do custo total de usinagem (ASTAKHOV, 2017; YOUNG, BYRNE e COTTERELL,1997).
A confirmação dos benefícios de se utilizar a técnica MQL pode ser vista tam-bém na indústria. Segundo Wu et al. (2015), desde que se iniciaram os testes com
MQL na década de 90, a técnica se popularizou na indústria automotiva tanto nos EUA como na Europa. Empresas como Ford, Volvo, Mercedez-Benz e Volkswagen vêm utilizando a técnica MQL em linhas de produção na usinagem de motores, caixas de engrenagens e partes de chassis. Dorr e Sam, (2000) trazem um exemplo de vanta-gem econômica dessa técnica aplicada na indústria. No caso em questão, a BMW obteve vantagens financeiras de 22% substituindo o sistema convencional de lubrifi-cação por um sistema MQL em uma determinada linha de produção.
Os estudos utilizando a técnica MQL comprovam seus resultados positivos como método de lubrirrefrigeração em diversas operações de usinagem, inclusive no torneamento duro. Hadad e Sadegui (2013) investigaram a influência de alguns parâ-metros da técnica MQL na força de usinagem, rugosidade da superfície usinada e temperatura de corte no torneamento do aço AISI 4140 com ferramenta de aço-rápido. Variando a posição de aplicação do fluido de corte (nas superfícies de saída e de folga individualmente e em ambas as superfícies simultaneamente), com vazão de 30 ml/h e pressão de 3 bar, eles observaram que as componentes da força de usinagem (força de corte, de avanço e passiva) foram menores quando o fluido foi aplicado nas super-fícies de saída e de folga simultaneamente em comparação com o torneamento a seco e por jorro. Os autores justificaram os maiores valores de força de usinagem na con-dição jorro, pelo fato deste meio de lubrirrefrigeração não ser tão efetivo em adentrar às interfaces (cavaco-ferramenta e ferramenta-peça), implicando assim em uma me-nor capacidade de lubrificação na região em comparação com a condição MQL. A condição MQL aplicada nas superfícies de saída e de folga, também proporcionou os melhores resultados em relação à rugosidade da superfície usinada. Tanto os valores de rugosidade (figura 4), quanto os das componentes da força de usinagem (figura 5), foram obtidos para diferentes velocidades de corte e avanço.
Figura 4 – Rugosidade da superfície usinada em função da condição de lubrirrefrigeração, da velocidade de corte e do avanço.
Figura 5 – Componentes da força de usinagem em função da condição de lubrirrefrigeração, da velocidade de corte e do avanço.
Fonte: adaptada de Hadad e Sadegui (2013).
Em relação à temperatura da interface cavaco-ferramenta, Hadad e Sadegui (2013) notaram uma diminuição de cerca de 350°C em relação à usinagem a seco e de 50°C em relação à usinagem com jorro em comparação com a técnica MQL com fluido aplicado simultaneamente nas superfícies de folga e de saída da ferramenta. Segundo os autores, essa diminuição de temperatura contribui na redução da taxa de desgaste da ferramenta de corte.
Lohar e Nanavaty (2013) utilizaram um óleo comercial aplicado por MQL, com pressão de 6 bar e vazões entre 600 e 1200 ml/h, no torneamento do aço AISI 4340 (49 HRC) com ferramenta de CBN. Nos experimentos os parâmetros de corte avanço, velocidade de corte e profundidade de corte foram variados, assim como a condição de lubrificação (jorro, a seco e MQL). Foi observado uma redução de até 40% na força de corte quando se aplicou o lubrificante por MQL, quando comparada com a usina-gem a seco e uma diminuição de 26% nesta mesma variável de saída, em compara-ção com a usinagem por jorro. A usinagem por MQL proporcionou ainda uma reducompara-ção de 36% na temperatura de corte e de 30% no valor da rugosidade. Os melhores re-sultados obtidos através da técnica MQL foram justificados pela forma como o fluido de corte foi aplicado. A redução no valor da força de usinagem, bem como os menores
valores de rugosidade, foram atribuídos ao fato do fluido aplicado por MQL conseguir atingir regiões as quais, na condição jorro, não se consegue. Isso se deve principal-mente às altas pressões (6 bar) e velocidades usadas na técnica MQL. Essa melhor penetração facilita a remoção dos cavacos e a redução do atrito. Com relação aos menores valores de temperatura obtidos por MQL, os autores atribuíram esse resul-tado ao fato do fluido ser aplicado em forma de gotículas, o que permite que a trans-ferência de calor na região da interface ocorra por convecção e por evaporação, en-quanto na lubrirrefrigeração por jorro só ocorreria transferência por convecção.
Elbah et al. (2019) investigaram o torneamento duro do aço AISI 4140 (60 HRC) com ferramenta cerâmica (CC6050) sob diferentes condições de lubrirrefrigera-ção (a seco, jorro e MQL). A vazão e a pressão de aplicalubrirrefrigera-ção MQL não foram informa-das. Nesse estudo foram avaliados a rugosidade, as componentes da força de usina-gem e o desgaste de flanco (VBB) da ferramenta de corte. Além da condição de
lubrir-refrigeração, também variaram os parâmetros de corte (velocidade de corte, avanço e profundidade de corte) e o raio de ponta da ferramenta. Os autores observaram que a condição de lubrirrefrigeração por MQL proporcionou os menores valores de força de usinagem em comparação com a usinagem a seco e com jorro. Observou-se ainda que a rugosidade diminuiu com o aumento da velocidade de corte e aumentou com o aumento do avanço para as três condições de lubrificação avaliadas. Assim, as me-lhores condições de usinagem foram encontradas nas velocidades de corte mais altas, menores avanços e nas condições MQL e a seco. A vida da ferramenta, como pode-se obpode-servar na figura 6, foi maior na condição de lubrirrefrigeração com jorro, porém com a condição MQL fornecendo valores de desgaste muito próximos, principalmente nos primeiros momentos de corte.
Figura 6 – Evolução do desgaste de flanco VBB, em função do tempo de corte.
Fonte: adaptado de Elbah et al. (2019).
Os bons resultados atribuídos à técnica MQL vêm sendo explicados devido à sua forma de atuação. Embora não existam evidencias concretas, acredita-se que o fato do fluido de corte ser aplicado na forma de névoa e a pressões elevadas facilita a penetração de suas partículas na interface cavaco-ferramenta e ferramenta-peça por efeito de capilaridade, o que dificilmente ocorreria por métodos convencionais de lubrirrefrigeração, como mostra a ilustração da figura 7. Além disso, o lubrirrefrigerante aplicado por MQL tem sua capacidade refrigerante aumentada devido à vaporização de suas partículas, o que aumenta a capacidade de penetração destas nas interfaces cavaco-ferramenta e ferramenta-peça (MULYAD, 2013).
Figura 7 – Regiões atingidas pelo fluido de corte aplicado por MQL.
Fonte: adaptado de Battaglia (2008).
Os diversos trabalhos que investigaram a técnica MQL em diferentes opera-ções de usinagem e as experiências na indústria nos últimos anos, comprovam as vantagens dessa técnica sobre outros métodos de lubrirrefrigeração em vários aspec-tos. Porém é importante ressaltar que também existem desvantagens na sua utiliza-ção que precisam ser contornadas. A aplicautiliza-ção do fluido de corte de forma pulverizada gera uma névoa no ambiente de trabalho que pode ser bastante prejudicial ao traba-lhador. Segundo Zhang et al. (2015), a forma pulverizada na qual o fluido é aplicado na técnica MQL facilita a inalação de componentes tóxicos por parte dos trabalhado-res. A névoa, quando produzida em grande escala, pode também prejudicar a visibili-dade, tornando o ambiente inseguro. Por isso existe a necessidade de se adequar o ambiente e os equipamentos com a utilização de exaustores capazes de remover essa névoa da zona de trabalho. O custo dessa adaptação, somado ao preço da compra do sistema MQL e ao custo do ar comprimido, pode ser considerado como a principal desvantagem desta técnica. Outra desvantagem está relacionada ao ruído. Segundo Diniz, Marcondes e Coppini (2013), o ruído produzido por sistemas MQL normalmente superam os níveis máximos permitidos no ambiente de trabalho, podendo causar do-enças ocupacionais e dificuldade de comunicação.
A busca pelo aprimoramento da técnica de aplicação por MQL é constante. Uma forma seria pela combinação do método com novos tipos de fluidos lubrirrefrige-rentes, como por exemplo os óleos vegetais e nanofluidos. Os quais serão apresen-tados na sequência.
2.2 Óleos vegetais
Juntamente com os óleos de origem animal, os óleos vegetais foram os pri-meiros a serem aplicados efetivamente como fluidos de corte em usinagem, tendo sido usados em larga escala até meados do século XIX (PETTERSON, 2006). Depois de terem perdido espaço na indústria para os óleos minerais e sintéticos, os óleos vegetais voltaram a ter protagonismo no meio científico nas últimas décadas. Isso se deve ao aumento constante de pressões por parte de órgãos governamentais e não-governamentais para que a indústria utilize cada vez mais práticas sustentáveis (OSAMA et al., 2017).
A maioria dos óleos vegetais tem sua estrutura química formada por triglicerí-deos, que se associam a diferentes cadeias de ácidos graxos. A complexa associação de moléculas de ácidos graxos com uma única estrutura de triglicerídeo resulta na composição desses óleos vegetais (SEVIM, 2005 apud OSAMA et al., 2017). Ácidos graxos são principalmente ácidos não ramificados de cadeia longa alifáticos compos-tos de átomos ligados ao carbono. Na natureza os ácidos graxos são mais frequente-mente compostos por um número par de átomos de carbono (OSAMA et al., 2017). A estrutura química dos óleos vegetais tem grande influência nas suas propriedades físico-químicas, possuindo em sua grande maioria boas propriedades lubrirrefrigeran-tes, tais como: alta viscosidade, alto coeficiente de transferência de calor e estabili-dade térmica, ou seja, a capaciestabili-dade de manter suas proprieestabili-dades químicas mesmo quando sujeitos a elevadas temperaturas. Por serem biodegradáveis, os óleos vege-tais não são uma ameaça ao meio ambiente (TAZEHKANDI et al. 2015).
Além das propriedades anteriormente citadas, quando usados como fluido de corte, os óleos vegetais apresentam a capacidade de formar uma camada espessa e durável na superfície usinada que pode absorver significativamente as pressões im-postas a esta superfície. Assim, a utilização desses fluidos de corte possibilita que parâmetros de corte mais severos sejam utilizados nas diversas operações de usina-gem (TAZEHKANDI et al., 2015). Por outro lado, como desvantausina-gem dos lubrirrefrige-rantes vegetais, pode-se destacar sua susceptibilidade à degradação por oxidação e sua propensão a sofrer hidrólise em meio ácido. Tais desvantagens podem ser facil-mente contornadas através do uso de aditivos (HUANG et al., 2003 apud TRAJANO, 2013).
Os óleos vegetais podem ainda ser modificados quimicamente com a finali-dade de melhorar suas propriefinali-dades através dos seguintes métodos: epoxidação, es-terificação e hidrogenação. Os óleos vegetais epoxidados têm como vantagem a ex-celente biodegradabilidade e sua fonte de origem renovável. Comparado aos óleos minerais, estes apresentam baixa volatilidade, alto índice de viscosidade, fácil misci-bilidade com outros fluidos, baixa toxicidade, melhores propriedades anticorrosivas e maior afinidade com superfícies metálicas (KLEINOVÁ et al., 2007).
Os óleos vegetais podem ser extraídos de várias fontes, tais como: sementes de girassol, mamona, canola, milho, amendoim, coco, entre outras. Estes óleos de diferentes origens vêm sendo testados como fluidos de corte em diversos trabalhos, seja na forma integral ou em emulsões. Xavior e Adithan (2009) utilizaram três fluidos de corte diferentes no torneamento do aço inoxidável AISI 304 com ferramenta de metal duro. Os óleos testados foram: óleo de coco, óleo mineral e um óleo solúvel. Observou-se que a mudança do fluido de corte teve maior influência na rugosidade da superfície usinada do que no desgaste da ferramenta. Menores valores de rugosi-dade foram obtidos com a utilização do óleo de coco. O uso deste óleo também resul-tou num menor desgaste na ferramenta quando se variou a velocidade de corte.
Lawal et al. (2014) estudaram o desempenho de óleos de base vegetal e mine-ral na forma de emulsão aquosa no torneamento do aço AISI 4340 com ferramenta de metal duro. Foram utilizados óleo de palmiste, óleo de semente de algodão e óleo mineral. Os dois óleos vegetais em emulsão apresentaram valores de pH dentro de um nível aceitável, necessário para evitar a corrosão durante o processo de usinagem, e também maior viscosidade do que a emulsão de óleo mineral. Menores valores de rugosidade foram encontrados quando da utilização da emulsão de óleo de palmiste. Em relação à força de usinagem, a emulsão de óleo de palmiste se mostrou superior aos demais fluidos, proporcionando a maior redução da variável em questão, seguida pela emulsão de óleo de semente de algodão. A emulsão de óleo mineral foi a que apresentou a menor redução na força de usinagem. O melhor desempenho da emul-são de óleo de palmiste em relação às demais, é atribuído pelos autores, ao fato desse óleo possuir uma alta proporção de ácidos graxos saturados e alta viscosidade, per-mitindo que o óleo forneça filmes lubrificantes de alta resistência que interagem forte-mente com as superfícies de contato, apesar da pequena quantidade de óleo na for-mulação.
O método de aplicação também tem influência no desempenho dos óleos vegetais em usinagem. Isso vem sendo observado em diversos estudos que analisa-ram e comparaanalisa-ram a utilização desses fluidos aplicados por jorro e MQL. Khan et al. (2009) investigaram o torneamento do aço AISI 9310 com ferramenta de metal duro sob diferentes condições de lubrirrefrigeração (a seco, por jorro e MQL usando óleo vegetal). Os melhores resultados foram obtidos na condição onde se aplicou óleo ve-getal (Ecocut) por MQL. Nessa condição foram obtidas as temperaturas mais baixas para diferentes valores de avanço e velocidade de corte, como pode ser observado na figura 8.
Figura 8 – Variação da temperatura na interface cavaco-ferramenta em função da velocidade de corte para diferentes condições de lubrirrefrigeração e avanço: a) f = 0,16
mm/rot; b) f= 0,18 mm/rot.
Fonte: adaptado de Khan et al. (2009).
Os autores também verificaram que os cavacos produzidos na condição MQL apresentaram uma superfície de contato com a ferramenta de corte mais lisa e bri-lhante do que nas outras condições, indicando uma condição de escorregamento mais favorável entre cavaco e ferramenta. O óleo vegetal aplicado por MQL também pro-porcionou menores valores de grau de recalque (h’/h), indicando uma maior facilidade de remoção desses em relação às outras condições. Quando comparado com a con-dição a seco e jorro, a usinagem por MQL foi a que proporcionou os menores valores de desgaste de flanco, como mostra a figura 9. Os autores observaram ainda que na
usinagem por MQL com óleo vegetal a taxa de aumento da rugosidade superficial decrescia com o tempo de usinagem.
Figura 9 – Variação do desgaste de flanco da ferramenta em função do tempo para diferentes condições de lubrirrefrigeração.
Fonte: adaptado de Khan et al. (2009).
Tazehkandi et al. (2015) investigaram o desempenho do óleo vegetal BioCut 2200 aplicado por MQL (60 ml/h) e jorro (20 l/min) no torneamento da liga de níquel Inconel 706 com ferramenta de metal duro. Foram analisadas a força de corte, a ru-gosidade da superfície usinada e a temperatura de corte nessas duas condições. Os parâmetros velocidade de corte, profundidade de corte e avanço também foram vari-ados. Concluiu-se que a aplicação do fluido de corte por MQL foi capaz de atingir regiões das interfaces (cavaco-ferramenta e ferramenta-peça) não atingidas pelo flu-ido aplicado por jorro, o que resultou num melhor desempenho do fluflu-ido naquela con-dição. Quando comparada com a aplicação por jorro, a técnica MQL resultou em me-nores valores de força de corte, rugosidade da superfície usinada e temperatura de
corte para todos os experimentos. Notou-se ainda que o aumento da velocidade de corte de 50 para 70 m/min na condição MQL resultou na redução dos valores de todas as variáveis monitoradas (força de corte, rugosidade da superfície usinada e tempe-ratura de corte) na condição MQL, diferentemente do que aconteceu na condição por jorro (figura 10). Os resultados obtidos mostraram a viabilidade de se tornear o Inconel 706 com maiores taxas de remoção, menor consumo de fluido de corte e com desem-penho superior ao método por jorro.
Figura 10 – Variação da força de corte (a), rugosidade da superfície usinada (b) e temperatura de corte (c) em função do método de lubrirrefrigeração e da velocidade de
corte.
Fonte: adaptado de Tazehkandi et al. (2015).
Otimizando os parâmetros de corte para as condições de lubrificação por jorro (vc = 56 m/min; f = 0,1 mm/rot; ap=0,34 mm) e por MQL (vc = 72 m/min; f = 0,12 mm/rot;
apresentou redução de 15, 32 e 14% na força de corte, rugosidade superficial e tem-peratura da ferramenta respectivamente, comparado ao modo de lubrificação com jorro (TAZEHKANDI et al. 2015). Os autores concluíram que a aplicação do óleo ve-getal por MQL no torneamento da liga de níquel Inconel 706 se mostrou economica-mente viável, pois aumentou a produtividade e reduziu custos, além de se apresentar como uma alternativa interessante ao uso de fluidos de corte convencionais do ponto de vista da sustentabilidade.
Sampaio et al. (2018), estudaram a influência da condição de lubrirrefrigera-ção por MQL utilizando óleo de base vegetal (LB2000), no torneamento do aço SAE 1045 (59 HRC) com ferramenta de PCBN, e comparam com a condição a seco. Neste trabalho foram avaliados o desgaste da ferramenta de corte, as componentes da força de usinagem, a rugosidade da superfície usinada, a profundidade da “camada branca”, a morfologia e a microestrutura dos cavacos. Com relação ao desgaste das arestas, observou-se que o mecanismo foi de natureza abrasiva, causado pelas par-tículas de PCBN, liberadas da ferramenta de corte, e de cementita (Fe3C), liberados
do corpo de prova. A Figura 11 mostra a evolução do desgaste de flanco da ferramenta (VBB) nas diferentes condições de lubrirrefrigeração para duas velocidades de corte
(100 e 150 m/min). Percebe-se que ao aumentar a velocidade, durante a usinagem a seco, aumenta-se também a taxa de desgaste. Por outro lado, durante a usinagem com MQL, a taxa de desgaste diminuiu com o aumento da velocidade de corte. Este resultado foi associado à eficácia da aplicação do fluido de corte por MQL em penetrar por capilaridade nas interfaces tribológicas envolvidas no processo de formação do cavaco.
Figura 11 – Evolução do desgaste de flanco em função do comprimento de corte.
Fonte: adaptado de Sampaio et al. (2018).
Apesar do desgaste de flanco médio ter sido menor na condição MQL, houve um aumento no desgaste de entalhe na aresta de corte secundária, o que contribuiu para um aumento na rugosidade. Como pode ser observado na figura 12, os menores valores de rugosidade foram obtidos na condição a seco.
Figura 12 – Evolução da rugosidade em diferentes condições de lubrificação em função do comprimento de corte.
Fonte: adaptado de Sampaio et al. (2018).
A condição MQL também reduziu o desgaste de cratera. Este tipo de desgaste modifica a superfície de saída da ferramenta tornando-a mais positiva. Essa diferença no ângulo de saída resulta na modificação da formação do cavaco, tornando-o mais contínuo. Com relação as componentes da força de corte, observou-se pouca dife-rença entre as condições a seco e MQL no início de vida da aresta de corte. Entre-tanto, no decorrer do experimento, pôde-se observar que o aumento dessas forças foi inferior quando se utilizou a condição MQL (figura 13). Esse efeito foi atribuído ao efeito de capilaridade já comentado anteriormente, que permite uma melhor lubrirre-frigeração das interfaces tribológicas, e ao correto posicionamento dos bocais de en-trega do fluido de corte, o que garante uma melhor eficácia no processo de lubrirrefri-geração.
Figura 13 – Componentes das forças de usinagem para diferentes condições de lubrirrefri-geração, no decorrer do ensaio.
Fonte: adaptado de Sampaio et al. (2018).
O uso da técnica MQL também reduziu a profundidade da “camada branca” na superfície usinada, que é a fina camada de material da peça que foi temperada e não revenida durante o processo de corte. De acordo com König et al. (1993), Bartarya e Choudhury (2012) e Matsumoto et al. (1987) apud Sampaio et al. (2018), a denomi-nada “camada branca” ocorre devido às severas deformações plásticas causadas pelo refino do grão e às transformações de fase resultantes do aquecimento e resfriamento rápidos. Existem três etapas associadas à sua formação no torneamento duro: inicial-mente há a ocorrência de deformação plástica, produzindo uma estrutura homogênea e com uma granulometria muito refinada; na sequência, a maior parte dessa energia se transforma em calor, aumentando a temperatura da camada deformada; final-mente, há um resfriamento cuja taxa depende das características do material da peça e do fluido de corte usado, além do método de aplicação. Para algumas aplicações, a presença da camada branca na superfície do componente usinado é indesejável, es-pecialmente quando há solicitações de natureza trativa. Entretanto, quando a superfí-cie do componente é submetida à solicitações compressivas, a camada branca pode melhorar a vida em fadiga do componente (CHOI, 2010).
Bonfá et al. (2019), estudaram a vida da ferramenta de corte e a rugosidade da superfície usinada no torneamento do aço AISI D6 com ferramenta de PCBN sob lubrificação por MQL com o óleo de base vegetal, LB2000. Os autores avaliaram a influência da posição dos bocais de aplicação (superfície de saída, superfície de folga, sobrecabeça) nas variáveis citadas e compararam com a usinagem a seco. Observou-se que a aplicação do óleo vegetal por MQL direcionado para a superfície de saída proporcionou resultados superiores aos obtidos na usinagem a seco. No entanto, a aplicação nas posições sobrecabeça e na superfície de folga não tiveram diferença significativa em comparação com a usinagem a seco. De acordo com a figura 14, a maioria das condições de corte usando a técnica MQL (em cinco das seis condições mostradas) produziu menor desgaste da ferramenta de corte em comparação com a usinagem a seco.
Figura 14 – Desgaste de flanco para diferentes condições de lubrirrefrigeração e parâmetros de corte.
Fonte: adaptado de Bonfá et al. (2019).
A Figura 15 mostra a relação entre a rugosidade média, Ra, e a condição de
valor de avanço f = 0,05 mm/rot, a rugosidade da superfície apresentou os menores valores de Ra. À medida em que o avanço aumenta, para uma mesma velocidade de
corte, a rugosidade também aumenta. Tal comportamento é mais evidente para a ve-locidade de corte de 250 m/min. Pode-se observar também que, para f = 0,05 mm/rot, independentemente da velocidade de corte, a técnica MQL promoveu valores muito mais baixos de rugosidade do que aqueles obtidos com a usinagem a seco (BONFÁ
et al, 2019).
Figura 15 – Rugosidade para diferentes condições de lubrirrefrigeração e parâmetros de corte.
Fonte: adaptado de Bonfá et al., (2019).
Pelo que foi descrito acima, o bom desempenho em diferentes operações de usinagem comparado aos óleos convencionais, juntamente ao fato desses fluidos de corte não serem prejudiciais ao meio ambiente, coloca os óleos vegetais como poten-ciais substitutos dos óleos minerais e sintéticos.
2.3 Nanolubrificantes
Os nanofluidos foram apresentados à comunidade científica por Choi (1995) e desde então, vêm sendo testados em diversas aplicações, inclusive como nanolu-brificantes em processos de usinagem devido suas boas propriedades lubrirrefrige-rantes. São caracterizados pela presença de partículas de tamanho nanométrico em uma base fluida. Essas partículas podem ser de diferentes materiais (metálicos, não-metálicos, óxidos, cerâmicos, carbonetos, etc.), enquanto a base fluida também pode
