8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA
Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007
INFLUÊNCIA DOS FLUIDOS DE CORTE NA FURAÇÃO DE CGI
Souza, J. F.; Carvalho, M. V.; Souza, J.; Gomes, J. O.Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Pça Mal-do-Ar Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias, São José dos Campos – SP, Brasil.
e-mail: janainaf@ita.br; marcelov@ita.br; josedesouz@terra.com.br; gomes@ita.br
RESUMO
Os processos produtivos são apontados como um dos principais responsáveis pela atual situação ambiental, pois neles têm-se as maiores transformações de materiais e energia. A usinagem é seguramente o mais utilizado, com significativa quantidade e variedade de materiais residuais e emissões. Os fluidos de corte fornecem melhorias dos aspectos tecnológicos da usinagem, entretanto no momento em que devem ser descartados, tais produtos sempre provocam algum tipo de agressão ao meio ambiente. O descarte do fluido de corte é um processo indesejável, tanto pelo seu alto custo como pelos procedimentos legais que o envolvem, uma vez que deve ser feito por empresas especializadas e requer a análise e aprovação de um órgão competente. Neste trabalho foram comparados os desempenhos de dois fluidos de corte em ensaios de furação em CGI. Os critérios de usinabilidade aplicados foram a vida da broca em furos contínuos; análise das formas de cavaco; análise da potência consumida e avaliação dos fluidos de corte a cada condição ensaiada. Com isso espera-se estimar o impacto total do fluido de corte durante o processo, considerando inclusive o seu descarte. Pôde-se concluir com estes ensaios uma significativa diferença entre os valores obtidos para esses dois tipos de fluidos analisados.
OBJETIVO
O objetivo principal deste artigo foi comparar o desempenho de vários fluidos de corte em ensaios de furação, utilizando como material o ferro fundido vermicular. Os critérios de usinabilidade aplicados foram:
• a vida da broca em furos contínuos, em percurso de material removido até atingir a marca de desgaste de flanco (VB) limítrofe;
• análise das formas de cavaco;
• análise de potência consumida pelo fuso;
• avaliações das condições apresentadas pelos fluidos de corte a cada condição ensaiada.
INTRODUÇÃO:
Os fluidos de corte têm como função auxiliar o processo de usinagem no controle de temperatura, com o aumento da refrigeração e da lubrificação na região de corte. Além de auxiliarem na remoção de cavacos (figura 1).
Fig 1: Desenho esquemático das funções dos Fluidos de Corte.
O fluido de corte é muito susceptível à contaminação microbiana, pois o óleo apresenta elementos nutritivos para microrganismos, como a temperatura, o pH e a umidade. A contaminação por bactérias e fungos nos óleos é uma das preocupações mais constante dos fabricantes, porque devido à presença da grande quantidade de água, o fluido de corte é susceptível ao crescimento destes microorganismos [2].
A presença destes microrganismos nos fluidos assume importância por constituir riscos à saúde dos trabalhadores, manifestados principalmente por infecções dermatológicas e respiratórias e pelos danos que pode ocasionar ao equipamento [3].
A contaminação por microorganismos acarreta problemas como mau cheiro, diminuição do pH, quebra da emulsão e corrosão.
A contaminação por fungos geralmente é caracterizada inicialmente pelo cheiro desagradável, seguido de uma forma de biofilme visível na superfície das máquinas. Freqüentemente, esta formação pode bloquear filtros e tubulações [4].
Vários estudos demonstram que os componentes dos fluidos podem ser parcialmente perdidos ou se degradarem completamente na presença de contaminação por microorganismos. Essa mudança na química dos fluidos pode ser diretamente correlacionada com a perda de função do fluido. As quantidades totais de sólidos dissolvidos devem ser monitoradas para impedir o crescimento de bactérias, pois isso torna o fluido rançoso [1].
As bactérias produzem ácidos que abaixam o pH do fluido causando aumento de corrosão e diminuição de lubricidade. Estes ácidos podem dissolver cavacos e resíduos finos de corte, tornando o fluido mais tóxico. Elas podem também escurecer o fluido significantemente, resultando em manchas nas peças.
A medição de desempenho de um fluido de corte é uma tarefa complexa. Em primeira análise, considerando apenas o aspecto tecnológico do processo de usinagem, um fluido de melhor desempenho pode ser caracterizado como aquele que provoca uma vida útil mais longa da ferramenta, neste caso da broca, sem a respectiva degradação e/ou com menor ônus ecológico [5].
Considerando o aspecto de gestão (custo e monitoramento), um único produto deve ser facilmente adaptado para diferentes materiais e operações de usinagem. Além disso, maior estabilidade física, química e bacteriológica garantem um prazo maior de utilização do fluido no chão-de-fábrica. Não menos importantes são os aspectos de saúde, segurança e meio ambiente. Uma maior longevidade do fluido resulta em menor descarte [7].
Sintetizando, os métodos de gestão de fluido de corte utilizados permitem alcançar um desempenho ótimo do fluido e menores custos operacionais, em conjunto com a mínima contaminação ambiental.
Para se diminuir os custos operacionais deve-se investir na monitoração, em fluidos de corte com maior vida útil e na conseqüente diminuição do tempo de parada de máquinas, dos custos de descarte, de manutenção, de reabastecimento e do custo inicial da compra.
Diversos fatores devem ser considerados na seleção de um fluido de corte. Além do custo do galão, fatores como custo de manutenção, concentração ótima, expectativa de vida útil e facilidade no descarte podem ter impactos consideráveis no custo total de operação [7].
Atualmente se reconhece que a natureza oferece maior variedade de matérias-primas para fabricação de lubrificantes que a indústria petroquímica. Esta variedade de matérias-primas, somada aos novos métodos e processos modernos de refino, possibilita a eliminação de antigos problemas dos óleos vegetais, como resinificação, viscosidade aumentada e desenvolvimento de acidez. O óleo de colza (canola) é um exemplo disso, pois além de ser de fácil cultivo e por se apresentar em diferentes variedades, produz óleos com propriedades definidas [1].
Desde os anos 60 são reconhecidas as propriedades lubrificantes dos óleos vegetais. No entanto, sua utilização não era disseminada devido à necessidade de estabilização das emulsões. Por isso, os óleos vegetais eram até então utilizados principalmente em aplicações de óleos integrais.
Uma grande vantagem dos óleos vegetais é que a camada de filme lubrificante deixada por eles é significativamente mais forte do que a dos óleos de base mineral. Em conseqüência, esses fluidos possuem lubricidade que é significantemente maior.
Os óleos vegetais em comparação aos minerais são mais compatíveis com a pele humana, além de reduzir a formação de vapor, fumaça e diminuir o risco de incêndios nas máquinas (segurança e saúde).
Como as moléculas dos óleos vegetais são polares, estas se alinham com pequenos ímãs na superfície metálica das peças, formando um filme lubrificante que tem capacidade de suportar tensões substanciais, facilitando a usinagem e aumentando a vida das ferramentas (vida de ferramenta) [6].
Devido à alta lubricidade que o fluido de corte proporciona, é possível otimizar os dados de corte sem danificar as ferramentas de corte e a máquina-ferramenta (produtividade).
No entanto, fluidos de base vegetal são ainda mais custosos, pois necessitam de ingredientes para aumentar sua estabilidade biológica. Por isso, cada análise deve ser realizada conforme o tipo de produção [6].
A viscosidade é uma outra propriedade dos óleos vegetais que tem um importante efeito na produtividade. Se o óleo lubrificante é fino demais, o desgaste da ferramenta de corte aumenta. O maior índice de viscosidade dos óleos vegetais assegura que esses irão fornecer mais lubricidade na faixa de temperaturas de operação [7].
Quando a temperatura de usinagem aumenta, a viscosidade dos óleos vegetais cai mais devagar que a dos óleos minerais. Inversamente, quando a temperatura cai, os óleos vegetais permanecem mais fluidos que os óleos minerais, facilitando a expulsão de cavacos e resíduos de corte [1,7].
Este artigo apresenta resultados de análises comparativas entre dois óleos de mesma base vegetal de fabricantes “A” e “B”. Foram realizados testes de vida de furação, no qual a vida da broca foi monitorada ao longo de furações realizadas em um bloco de ferro fundido vermicular. Também, foram monitoradas diariamente, durante o período de ensaio, todas as características dos dois fluidos de cortes.
MATERIAIS E MÉTODOS Máquina-ferramenta
A máquina-ferramenta utilizada foi o centro de usinagem C 600 U, fabricado pela empresa Hermle. Possui potência de 15 kW, velocidade máxima do fuso de 16000 rpm e 35 m/min de velocidade máxima de avanço.
Ferramenta de corte
Nesses ensaios, foram utilizadas brocas em metal-duro de diâmetro de 6,8 mm, sem refrigeração interna (figura 2).
Fig 2: As 6 brocas utilizadas no ensaio.
Determinação dos parâmetros de usinagem
Os valores dos parâmetros de corte foram determinados com base na literatura, em catálogos de ferramentas.
Corpos de Prova
O material usado neste ensaio foi o ferro fundido vermicular. A composição da liga é a mesma utilizada na fabricação de blocos motores, estando dentro das faixas recomendadas pela literatura. Antes de iniciar o ensaio, o bloco foi faceado, garantindo superfícies a serem furadas planas e paralelas ao plano determinado pelos eixos X e Y da máquina.
Optou-se por um corpo de prova de 400 mm por 245 mm objetivando-se evitar as excessivas interrupções no ensaio e longos tempos de preparação. Para garantir a qualidade na fixação das peças e atenuar vibrações, optou-se por uma geometria retangular que permite fixação fácil e rápida (figura 3).
Fig 3: Corpos de provas ensaiados.
Ensaios de vida
Neste teste de vida as brocas foram postas a fazer furos contínuos. Foram definidas três condições distintas nas quais foi variada a velocidade de corte (vc).
Três (3) velocidades de corte foram escolhidas: vc= 80, 120 e 270 m/min, e um (1) avanço por dente (fz= 0,05 mm).
As três velocidades de corte escolhidas foram utilizadas para os dois tipos de fluidos de corte (“A” e “B”) ensaiados (tabela 1).
Tabela 1. Parâmetros de corte aplicados nos ensaios de vida.
vc [m/min] fz [mm/dente]
Broca 1 (Fluido A) 80 0,05
Broca 2 (Fluido A) 150 0,05
Broca 4 (Fluido B) 80 0,05
Broca 5 (Fluido B) 150 0,05
Broca 6 (Fluido B) 120 0,05
Determinou-se o valor da profundidade do furo como sendo de 17 mm, visando obter uma relação L/D de 2,5 por ser uma condição comumente encontrada em chão-de-fábrica.
As sessões de medição de desgaste foram realizadas a cada 90 furos, ou seja, a cada 1,53 m de percurso usinado. Para medição do desgaste da broca foi utilizado um microscópio Wild M3C da Herrbrugg Switzerland tipo S, com capacidade de aumento de até 40X, com auxílio do software Leica Qwin Pro.
A broca foi colocada sob as lentes do microscópio e, através de uma câmera de vídeo acoplada a este e conectada ao computador, fotos da região de maior desgaste dos dois gumes, das faces e das almas foram tiradas. A partir destas fotos, a medições de desgaste de flanco VB foi executada. O critério de fim de vida definido foi de um VB = 0,20 mm.
Análise do cavaco
Os cavacos foram analisados quanto a sua forma e coloração. As análises de cavaco foram feitas em três ocasiões, no inicio do experimento, quando o desgaste VB atingia meia vida, e no fim da vida da ferramenta, mas sendo fotografados apenas no fim da vida de cada uma das condições apresentadas na tabela 1, isso porque a variação entre os cavacos foi pequena.
Análise de potência
As medições de potência consumida no fuso foram coletadas através de uma placa instalada no computador de aquisição de dados, que foi desenvolvida especialmente para coletar informações junto aos CLP’s da máquina-ferramenta. Os dados foram adquiridos e salvos através de uma rotina.
Análise do óleo
A verificação das condições do óleo foi feita diariamente e logo ao iniciar o experimento. Os óleos foram monitorados através de um “Registro de Gerenciamento de Fluidos”, onde foram medidos: o pH, os dados de concentração, a contaminação microbiológica, “tramp-oil”, a ferrugem no corpo de prova e na máquina-ferramenta, rancidez, formação de espumas e coloração.
RESULTADOS E DISCUSSÕES Análise dos Ensaios de Vida de Furação
A figura 4 mostra os resultados de vida da broca em termos de desgaste de flanco em função do percurso usinado, para uma velocidade de corte (vc) de 80 m/min.
Para Velocidade de corte de 80 m/min
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0 10 20 30 40 50 60 Percurso Usinado (m) D e sg a s te d e F lan co ( m m ) Fluido "A" Fluido "B" Material: Ferro fundido vermicular Ferram enta: D = 6,8 mm Parâm etros: ap = 0,05 mm VB max = 0,2 mm
Fig 4: Vida da broca para vc= 80 m/min.
O óleo do fabricante “A” proporcionou nesta condição uma usinabilidade melhor (52 m usinados) em relação ao óleo do fabricante “B” (38 m usinados). Vale ressaltar que a concentração de um dos fluidos (Fluido B) era de 10%, enquanto que o de comparação (Fluido A) era de 5%. Nesse caso, seria de se esperar que o fluido B apresentasse um melhor resultado, o que não ocorreu.
Para Velocidade de corte de 120 m/min
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 2 4 6 8 10 Percurso Usinado (m) D e sg a s te d e F lan c o ( m m ) Fluido "A" Fluido "B" Material: Ferro fundido vermicular Ferram enta: D = 6,8 mm Parâm etros: ap = 0,05 mm VB max = 0,2 mm
Fig 5: Vida da Broca para vc= 120 m/min.
Numa mesma análise, alterando apenas a velocidade de corte para 120 m/min, pode-se verificar que o Fluido “A” apresentou uma pequena vantagem em percurso usinado (figura 4) 7 metros contra 3,5 metros.
Na condição onde a velocidade de corte adotada foi de 150 m/min, o controle de temperatura não foi satisfatório, pois o efeito refrigerante dos dois fluidos permitiu que a broca desgastasse rapidamente. Nessa situação, portanto, não se pode analisar a influência de um fluido em relação a outro, pois o ponto crítico é a condição de corte empregada para as ferramentas de corte (figura 5).
Para Velocidade de Corte de 150 m/min.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 1 2 3 4 5 Percurso Usinado (m) D e sg ast e d e F la n co ( m m ) Fluido "A" Fluido "B" Material: Ferro fundido vermicular Ferram enta: D = 6,8 mm Parâm etros: ap = 0,05 mm VB max = 0,2 mm
Fig 6: Vida da Broca para vc = 150 m/min.
Em todas as condições, onde o objetivo era comparar a eficiência dos fluidos de corte “A” e “B” através do desgaste de flanco da ferramenta, observou-se o desgaste ao longo do gume, sem uma região proeminente.
Durante o ensaio para cada condição apresentada na tabela 1, a cada 90 furos, o ensaio era interrompido para medir o desgaste de flanco e fotografar as regiões da ferramenta no microscópio. Foram feitas análises dos desgastes nas regiões mais críticas das ferramentas, no inicio, meio e final de vida das brocas. ver figura 7.
Fig 7: Vida das seis Brocas – Desgaste na região do gume da ferramenta de corte.
A figura 7, mostra o desgaste das seis brocas utilizadas no ensaio, na primeira linha estão as figuras das brocas no inicio de vida, já a segunda linha da figura mostra a região do gume da ferramenta de corte no final de vida de cada uma das seis.
Percebeu-se uma diferença no desgaste entre as três velocidades de corte. No ensaio com a velocidade de 150 m/min, o desgaste se deu através do lascamento da broca, principalmente na região da alma.
O desgaste foi sempre mais pronunciado quando utilizou-se o fluido B, o que pode ser um indício de menor poder de lubricidade deste em relação ao fluido A.
Análise da forma de cavaco
Na análise da formação de cavaco, para os dois fluidos foram verificadas características semelhantes, apresentando sempre as mesmas formas e colorações. Somente no ensaio, quando a velocidade de corte foi de 150 m/min, para os dois fluidos, o cavaco apresentou uma coloração diferente (figura 8).
Fig 8: formas e colorações de cavacos para as condições ensaiadas.
Análise do Fluido de Corte
Os fluidos apresentaram estabilidade física, química e bacteriológica, mantendo assim suas características pelo período considerado. Ofereceram proteção contra corrosão das peças e dos componentes da máquina-ferramenta. Não apresentaram odores ofensivos.
Quanto a transparência e a viscosidade apresentadas pelos fluidos ensaiados (figura 9), pode-se visualizar a aparência dos dois fluidos de corte ensaiados, no inicio do trabalho e no estado final do ensaio.
Fluido A
Fig 9: Aspecto visual dos fluidos A e B ensaiados.
A figura 9 procura mostrar a aparência física dos fluidos “A” e “B”, na 1a foto, estão quatros béquers com 50 ml de fluido, o primeiro béquer, da esquerda para direita, contém o fluido “B” já no final do trabalho. Na seqüência vem um béquer também com o fluido “B” no inicio do ensaio, os dois próximos são o fluido “A” no final e inicio do ensaio, respectivamente. Pode-se verificar também através desta figura que em nenhum dos béquers foram visualizados separação de fases (água – óleo).
Percebe-se também, que apesar da maior concentração (o dobro em relação ao fluido A) o fluido B parece ser mais translúcido, que pode ser um indício de desafios em desenvolvimento da relação base vegetal/emulgador.
Análise de Potência do Fuso
Através da avaliação do consumo de potência durante o experimento observou-se, um maior consumo desta quando o ensaio foi realizado com a velocidade de corte de 150 m/min. Essa constatação é uma função do aumento do momento torçor, provocado pelo aumento da velocidade de corte.
No entanto, nenhuma modificação significativa foi encontrada entre os dois fluidos, o que leva a conclusão, que é o aumento do desgaste, provocado por uma perda de lubricidade, que gera o maior desgaste da ferramenta de corte utilizando o fluido B.
CONCLUSÕES
Foi comparada a eficiência de dois fluidos de corte o “A” e “B” através de testes de furação em ferro fundido vermicular. Como critérios de comparação de usinabilidade foram avaliadas a vida das ferramentas de corte, para uma combinação de parâmetros de corte pré-estipulada, a vida de ferramenta, a formação de cavaco para o material e a potência consumida no fuso. Sobre essas análises, as seguintes conclusões podem ser formuladas:
• A vida da ferramenta de corte para o fluido “A” foi maior em comparação ao fluido “B”. • A forma e a coloração de cavaco para cada velocidade não foi alterada.
• Não existiu variação significativa na potência de corte consumida com os dois fluidos.
• O fluido B, apesar de boa estabilidade química, apresentou uma maior retenção de minério de ferro na emulsão, o que, em longo prazo, diminuirá a vida útil do fluido.
• O fluido B apresentou-se mais translúcido, apesar da maior concentração, o que pode sugerir um desafio de desenvolvimento do emulgador.
REFERÊNCIAS
1. www.cimm.com.br
2. K. Bienkowski,. Coolants & Lubricants, The Truth. Manufacturing Engineering. p. 90-96, março 1993. 3. B. Aronson, Machine Tool 101: Part 6, Machine Servers. Manufacturing Engeineering. p.47-52, junho 1994. 4. G. Foltz, Definitions of Metalworking Fluids.
5. Metalworking Fluids: safety and Best Pratices Manual. U.S. Dept of Labor, OSHA, 2001.
6. K. Ulrich, Vegetable Oil-Based Coolants Improve Cutting Performance. [On-Line], www.manufacturingcenter.com/tooling/archives/1202/1202oil.asp
7. G. Jefferson, V. Marcelo, F. Daniel, Manual de Gerenciamento de Fluidos de Corte, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, Abril., 2005.
