CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ALESSANDRO DIEGO NEUMANN
EFEITOS DA INFLUÊNCIA DOS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES SOBRE OS DESGASTES DAS FERRAMENTAS DE CORTE
Panambi 2016
ALESSANDRO DIEGO NEUMANN
EFEITOS DA INFLUÊNCIA DOS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES SOBRE OS DESGASTES DAS FERRAMENTAS DE CORTE
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Felipe Tusset, MEng.
Panambi 2016
ALESSANDRO DIEGO NEUMANN
EFEITOS DA INFLUÊNCIA DOS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES SOBRE OS DESGASTES DAS FERRAMENTAS DE CORTE
Banca examinadora
________________________________________ Felipe Tusset (MEng.) – Orientador
________________________________________ Manfred Litz (Especialista) - Membro da Banca Examinadora
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a DEUS, autor e consumador da minha fé.
Também aos meus pais, Egon e Lourdes pois sem eles nada seria possível.
Ainda antes que houvesse dia, eu sou; e ninguém há que possa fazer escapar das minhas mãos, operando eu, quem impedirá?
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, agradeço a Deus, que esteve presente em todos os momentos da minha vida e nesta conquista também, afinal, DELE, POR ELE e PARA ELE são todas as coisas.
Obrigado aos meus pais, em especial a minha mãe, que não permitiu que eu desistisse nos momentos mais difíceis, dando apoio para sempre seguir em frente na busca dos meus objetivos.
A minha esposa Priscila Schmidt Neumann, essencial na minha vida, obrigado pela compreensão nos momentos que não consegui estar presente.
Ao professor Felipe Tusset, pela orientação e apoio na elaboração deste relatório. Obrigado pelo companheirismo e incentivo para desenvolver este trabalho voltado para o campo da usinagem.
A Empresa Bruning Tecnometal, pela disponibilidade de informações e estrutura para a elaboração e desenvolvimento do trabalho.
Ao técnico de usinagem Fabricius da Silva e demais colegas de empresa, que compartilharam seus conhecimentos e experiências.
Agradeço a Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul, cujos conhecimentos lá obtidos, me foram à base técnica necessária para desenvolver este trabalho.
RESUMO
A usinagem integra um dos processos de fabricação de peças, onde principalmente a indústria metal mecânica exige cada vez mais o desenvolvimento destes meios, no sentido de modernização das máquinas e constante evolução das ferramentas de corte e fluidos lubri-refrigerantes. A determinação das ferramentas de corte, juntamente com a escolha correta dos parâmetros, deve andar em sinergia com a evolução da tecnologia, isso torna-se consequência, em função dos aumentos de demanda, rapidez no atendimento ao cliente e redução de custos do processo com a qualidade dos produtos assegurada. Outro fator é o fluido lubri-refrigerante, que por muitas vezes acaba sendo deixado em segundo plano, no entanto, é de suma importância, pois afeta principalmente no desgaste das ferramentas, gerando impacto em todos os pontos citados como necessários para uma produção mais efetiva. Sendo assim, o presente trabalho avalia o desgaste das ferramentas de corte em um processo de usinagem específico, com os mesmos parâmetros, materiais, ferramentas, sequências e controles, variando a utilização de três fluidos lubri-refrigerantes distintos, permitindo uma correta comparação entre os resultados obtidos. Constatou-se que existe uma grande influência do tipo de fluido utilizado com relação ao desgaste das ferramentas, sendo possível avaliar a dimensão desta diferença entre o fluido testado sintético e semissintético, de acordo com os objetivos citados no trabalho.
Machining integrates one of the parts manufacturing processes, where mainly the metal mechanical industry increasingly requires the development of these means, to modernization of machinery and constant evolution of cutting tools and cooling lubricant fluids. The determination of cutting tools, along with the correct choice of parameters, must go in synergy with the evolution of technology, it becomes a consequence, depending on the demand increase, speed in customer service and process cost reduction with the quality of product assured. Another factor is the cooling lubricant fluid, which often ends up being left in the background, however, it is of paramount importance because it mainly affects the tool wear, generating impact on all the points mentioned as necessary for a more effective production. Therefore, this paper evaluates the wear of the cutting tools in a specific machining process, with the same parameters, materials, tools, sequences and controls, varying the use of three different lubricating and cooling fluids, allowing a correct comparison between the results obtained. It was observed that there is a great influence on the type of fluid used related to the wear of the tools, it is possible to assess the extent of this difference between the synthetic and semisynthetic fluid tested, according to the objectives mentioned in the paper.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Oxidação das máquinas ... 15
Figura 2 – Aspecto visual de sujeira ... 15
Figura 3 – Distribuição dos custos de usinagem ... 17
Figura 4 – Distribuição de temperaturas... 22
Figura 5 – Distribuição do calor gerado ... 23
Figura 6 – Temperaturas críticas ... 23
Figura 7 – Aplicação dos fluidos ... 28
Figura 8 – Classificação das operações ... 31
Figura 9 – GC4325 insertos de metal duro marca Sandvic ... 37
Figura 10 – Alguns tipos de desgaste e as variáveis de medição em ferramentas de usinagem ... 39
Figura 11 – Desgaste frontal ou de flanco ... 39
Figura 12 – Desgaste de cratera ... 40
Figura 13 – Deformação plástica da aresta de corte ... 40
Figura 14 – Lascamento ... 41
Figura 15 – Trincas ... 41
Figura 16 – Quebra ... 42
Figura 17 – Metodologia experimental do projeto de pesquisa... 45
Figura 18 – Representação das operações de usinagem no corpo de prova ... 48
Figura 19 – Centro de usinagem da marca Mazak modelo Horizontal Center Nexus 6000 II . 49 Figura 20 – Microscópio digital marca Dino-Lite modelo AM3113T ... 50
Figura 21 – Detalhes da geometria da broca de diâmetro 11,2 mm ... 51
Figura 22 – Detalhes da geometria da broca de diâmetro 9,3 mm ... 52
Figura 23 – Detalhes da geometria do macho M10 x 1,5 ... 52
Figura 24 – Detalhes da geometria da fresa de diâmetro 12 mm ... 53
Figura 25 – Condição da ferramenta A posterior a quebra... 56
Figura 26 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta A utilizando o fluido lubri-refrigerante B ... 57
Figura 27 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta A utilizando o fluido lubri-refrigerante C ... 57
Figura 28 – Análise gráfica comparando peças produzidas x desgaste médio para cada
condição ... 58 Figura 29 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta B utilizando o fluido lubri-refrigerante A ... 59 Figura 30 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta B utilizando o fluido lubri-refrigerante B ... 59 Figura 31 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta B utilizando o fluido lubri-refrigerante C ... 60 Figura 32 – Análise gráfica comparando peças produzidas x desgaste médio para cada
condição ... 61 Figura 33 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta C utilizando o fluido lubri-refrigerante A ... 61 Figura 34 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta C utilizando o fluido lubri-refrigerante B ... 62 Figura 35 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta C utilizando o fluido lubri-refrigerante C ... 62 Figura 36 – Análise gráfica comparando peças produzidas x desgaste médio para cada
condição ... 63 Figura 37 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta D utilizando o fluido lubri-refrigerante A ... 64 Figura 38 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta D utilizando o fluido lubri-refrigerante B ... 64 Figura 39 – Detalhes dos desgastes apresentados pela ferramenta D utilizando o fluido lubri-refrigerante C ... 64 Figura 40 – Análise gráfica comparando peças produzidas x desgaste médio para cada
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Característica dos principais fluidos lubri-refrigerantes utilizados ... 26
Tabela 2 – Composição química do aço EN-10149-2-13-S355MC ... 47
Tabela 3 – Resultados mecânicos do aço EN-10149-2-13-S355MC ... 47
Tabela 4 – Dados de corte utilizados nos testes ... 54
Tabela 5 – Resultado das condições testadas com a ferramenta A ... 58
Tabela 6 – Resultado das condições testadas com a ferramenta B ... 60
Tabela 7 – Resultado das condições testadas com a ferramenta C ... 63
Tabela 8 – Resultado das condições testadas com a ferramenta D ... 65
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AlCrN Nitreto de Alumínio e Cromo
CNC Computer Numeric Control (Comando Numérico Computadorizado) DIN Deutsches Institut für Normung (Instituto Alemão para Normatização)
EP Extrema Pressão
HSS-E Aço rápido com cobalto IMAN Instrução de Manutenção KB Largura da cratera
KF Distância da aresta à borda da cratera KT Profundidade da cratera
MQL Mínima Quantidade de Lubrificação NbC Carboneto de Nióbio
pH Potencial Hidrogeniônico PVD Deposição Física de Vapor TCC Trabalho de Conclusão de Curso TiC Carbonetos de Titânio
TiN Nitreto de Titânio
UNIJUI Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul Usiminas Usinas Siderurgicas de Minas Gerais
VB Desgaste de flanco
WC Carbonetos de Tungstênio Widia Wie Diamant
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 13 2. OBJETIVOS ... 14 2.1 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ... 14 2.2 JUSTIFICATIVA ... 17 2.3 OBJETIVO GERAL ... 18 2.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 18 3. EMBASAMENTO TEÓRICO ... 19 3.1 USINAGEM ... 19 3.2 FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES ... 19
3.3 FUNÇÕES DOS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES ... 21
3.3.1 Fluido lubri-refrigerante como refrigerante ... 22
3.3.2 Fluido lubri-refrigerante como lubrificante ... 24
3.4 CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES ... 24
3.4.1 Óleos ... 25
3.4.2 Emulsões ... 25
3.4.3 Soluções ... 26
3.4.4 Análise comparativa ... 26
3.5 ADITIVOS ... 27
3.6 DIREÇÃO E MÉTODO DE APLICAÇÃO DOS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES ... 28
3.7 MÍNIMA QUANTIDADE DE LUBRIFICANTE ... 29
3.8 SELEÇÃO DO FLUIDO LUBRI-REFRIGERANTE ... 30
3.8.1 Material da peça ... 30
3.8.2 Condições de usinagem ... 30
3.8.3 Material da ferramenta ... 31
3.9 CUIDADOS COM OS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES ... 32
3.9.1 Taxa de diluição ... 32
3.9.2 Análise de pH ... 33
3.10 CONTAMINANTES OU DEGRADANTES DOS FLUÍDOS DE CORTE ... 33
3.11 PROCEDIMENTOS DE LIMPEZA NAS MÁQUINAS DE USINAGEM ... 34
3.12.1 Vida e desgaste das ferramentas ... 38 4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 45 4.1 INTRODUÇÃO ... 45 4.2 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL ... 45 4.2.1 Variáveis de entrada ... 46 4.2.2 Variáveis de saída ... 47 4.2.3 Corpos de prova ... 47 4.3 EQUIPAMENTOS ... 48
4.4 CARACTERIZAÇÃO DAS FERRAMENTAS DE CORTE ... 50
4.5 CRITÉRIO DE FIM DE VIDA ... 53
4.6 METODOLOGIA DO ENSAIO ... 54
5. RESULTADOS ... 56
5.1 ANÁLISE DESGASTES FERRAMENTA A ... 56
5.2 ANÁLISE DESGASTES FERRAMENTA B ... 58
5.3 ANÁLISE DESGASTES FERRAMENTA C ... 61
5.4 ANÁLISE DESGASTES FERRAMENTA D ... 63
5.5 COMPARATIVO ... 65
6. CONCLUSÃO ... 67
REFERÊNCIAS ... 68
ANEXO A – CERTIFICADO DE MATÉRIA PRIMA DO FORNECEDOR USIMINAS ... 70
ANEXO B – FISPQ FLUIDO A ... 71
ANEXO C – FISPQ FLUIDO B ... 73
1. INTRODUÇÃO
A usinagem é um dos mais antigos processos utilizados pelo homem para a produção, e esta história acompanha o desenvolvimento da indústria, novos materiais, necessidade do aumento de produção e produtividade. Dentro deste campo de pensamento e evolução, de forma mais específica na usinagem, é quase impossível acompanhar a mudança das máquinas, trazendo opções e possibilidades de processamento e obtenção de peças das mais variadas geometrias e tamanhos. Neste contexto, cria-se a necessidade de ferramentas cada vez mais robustas, que consigam suportar os esforços as quais elas são submetidas, um dos fatores mais importantes para que isso aconteça são os fluidos lubri-refrigerantes, responsáveis principalmente pela refrigeração e lubrificação.
O presente Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) de Engenharia Mecânica está estruturado em quatro capítulos. O primeiro apresenta a formulação do problema, juntamente com a justificativa, expondo a situação atual e traçando objetivos para serem obtidos com a realização dos testes.
O segundo capítulo refere-se ao embasamento teórico utilizado e o entendimento de conceitos fundamentais necessários para a construção da estratégia utilizada nos testes e posterior análise dos resultados, baseando-se em livros de autores capacitados, artigos e demais referências necessárias para o atendimento dos objetivos.
A terceira parte trata-se de um capítulo denominado de materiais e métodos, apresentando a metodologia utilizada, dando ênfase ao planejamento experimental, abordando com maior detalhamento os corpos de prova, ferramentas e equipamentos utilizados, através de descrições e ilustrações.
Por fim, tecem-se no quarto capítulo (através de imagens, tabelas e gráficos) os resultados obtidos com os testes, sendo possível realizar uma comparação entre os desgastes gerados em cada ferramenta de acordo com o fluido lubri-refrigerante utilizado.
2. OBJETIVOS
2.1 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
O problema estabelecido para a realização deste Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) de Engenharia Mecânica e sua respectiva pesquisa foi: qual tipo de fluido é ideal para ser utilizado no processo de usinagem e qual a sua influência na vida útil das ferramentas de corte e custo do processo?
O fluido lubri-refrigerante semissintético utilizado na condição atual é uma emulsão, sendo composto por óleo + água, onde a água é absorvida pelo óleo, formando um único elemento denominado de emulsão, a reposição é realiza de forma manual pelos funcionários da equipe de manutenção, com a utilização de jarra para a colocação do óleo e balde para a água. O óleo é colocado puro (sem mistura de água) diretamente nas esteiras das máquinas, o que acarreta em grande desperdício, uma vez que grande parte do produto é levado para a sucata juntamente com os cavacos. A área responsável por realizar este processo de controle realiza três vezes por semana a medição da concentração da emulsão nas máquinas, sendo que, em caso de necessidade, repõem as quantidades para atender novamente a concentração. Os operadores repõem água diariamente, no entanto, não existe uma quantidade padronizada de reposição, por consequência, não permite um controle eficaz.
Esta situação acaba impactando diretamente nos custos de usinagem, uma vez que com uma concentração menor que o especificado a tendência é ocorrer um maior desgaste das ferramentas de corte. Outra questão de grande importância é o fato de atualmente não ser possível uma estabilidade do potencial hidrogeniônico (pH) da emulsão, ocasionando um odor forte, e também potencializa o aumento de desgaste nas ferramentas.
O somatório destes fatores gera consequências danosas, uma vez que com o pH da emulsão muito baixo, haverá fácil formação de oxidação e um aspecto visual ruim das condições do equipamento. Já com um pH muito alto, existe possibilidade de ocorrer problemas com a saúde do operador da máquina.
Figura 1 – Oxidação das máquinas
Fonte: Autor
Segundo Diniz, Marcondes e Copinni (1999), a indústria tem exigido de um fluido de usinagem outras propriedades além daquelas necessárias para refrigeração e lubrificação, entre elas a de anticorrosão, ou seja, sua capacidade de proteger a peça e a máquina de efeitos corrosivos.
Figura 2 – Aspecto visual de sujeira
Fonte: Autor
Para Bianchi, et al (2015), a presença de microrganismos nos fluidos lubri-refrigerantes é definido com grande importância, por apresentar riscos à saúde dos operadores e demais trabalhadores que possuem algum contato com a substância, ocasionando principalmente infecções dermatológicas e respiratórias.
Portanto, a contaminação dos fluidos lubri-refrigerantes apresenta múltiplos prejuízos às empresas e inúmeros desdobramentos com consequências sobre a saúde do homem e do meio ambiente, constituindo-se num problema de abrangência mundial que requer cuidados. Uma das únicas formas de controle desta contaminação microbiana envolve o uso de biocidas, embora eficiente sobre microrganismos a ação do biocida requer uso prolongado e/ou aplicação em altas concentrações o que, não raro, provoca reações alérgicas nos operadores das máquinas, pois se trata de compostos químicos altamente sensibilizantes.
Além disso, considerando que o princípio ativo dos principais biocidas é o formaldeído, o qual reage com diversos componentes biológicos celulares, existe forte suspeita de que o formaldeído possua ação cancerígena (BIANCHI; et al, 2015).
O descarte de fluidos lubri-refrigerantes também é um processo indesejável, inicialmente por se tratar de substância poluidora para o meio ambiente que necessita de complexo e oneroso tratamento prévio. Pode-se coligir que esses lubrificantes, de alguma forma, acabam sendo lançados na natureza.
Para um possível destino destes produtos, a legislação estabelece critérios de acordo com as características como por exemplo pH, oxigênio dissolvido, demandas químicas e bioquímica de oxigênio, temperatura, óleos e graxas, assim como, a presença de microrganismos. Esta análise normalmente requer serviços especializados que demandam alto custo (BIANCHI; et al, 2015).
Na atual situação, as máquinas de usinagem possuem uma limpeza total do seu sistema duas vezes ao ano (uma por semestre), sendo que a operação consiste na retirada total da emulsão do reservatório, limpeza e posterior adição do novo produto. A realização deste processo demanda um tempo médio de 9 horas para um centro de usinagem modelo HCN 4000 da marca Mazak.
Nesta condição, a utilização do fluido lubri-refrigerante semissintético representa um dos maiores custos inerentes aos consumíveis de usinagem, cerca de 20,6%. Nos anos anteriores de 2013, 2014 e 2015 a condição foi muito similar.
Aproximadamente 16% do custo total da usinagem são destinados a líquidos para refrigeração. Nestes porcentagem estão incluídos não somente o custo de aquisição dos fluidos lubri-refrigerantes, mas também os custos dos equipamentos de bombeamento, filtragem, reciclagem e descarte. A Figura 3 representa que o custo com líquidos para refrigeração é muito maior que o custo com ferramentas de corte. (Klocke et al., 1997; Cselle, 1995; Kustas et al., 1997; Dunlap, 1997 apud Diniz e Scandiffio [2001]).
Figura 3 – Distribuição dos custos de usinagem
Fonte: Diniz (2001, p. 2)
2.2 JUSTIFICATIVA
A usinagem é um dos processos que agrega maior valor aos produtos na indústria metal mecânica, representado principalmente pelo custos das máquinas e ferramentas. Desta forma, um dos temas que merece um estudo mais detalhado (pois afeta de forma significativa esta questão) são os fluidos lubri-refrigerantes, que impactam diretamente na vida útil das ferramentas de corte.
O meio ambiente e temas como os resíduos industriais e seus custos, são aspectos cada vez mais importantes em nosso cotidiano, sendo mais discutidos na sociedade. Em um passado não muito distante, a maioria das empresas acabava dando pouca ênfase a esta questão e se preocupando apenas com os aspectos tecnológicos e econômicos.
Outro problema que acaba envolvendo custos significativos é o tempo necessário de máquina parada para a realização da troca dos fluidos e limpeza de todo sistema, bem como a constante reposição do óleo na máquina, sem uma correta diretriz sobre a proporção ideal a ser utilizada, o que pode gerar consequências danosas, como por exemplo, a oxidação das partes que entram em contato com a mistura, pois esta pode conter uma maior proporção de água.
Os fatores citados anteriormente, fazem com que cada vez mais os fornecedores de fluidos lubri-refrigerantes tragam para seus clientes novos produtos, que permitam melhorar sua aplicação na indústria e sanar desta forma as necessidades de seus clientes, assim como, sugerir alternativas para redução do consumo de fluidos, técnicas de aplicação e parâmetros de usinagem.
No entanto, com uma gama tão variada de produtos e principalmente diferentes características de matéria prima e especificações, faz-se necessário identificar qual o melhor fluido a ser utilizado. Assim, este trabalho visa demonstrar alguns resultados a partir de conceitos e testes realizados.
2.3 OBJETIVO GERAL
Realizar testes com diferentes fluidos lubri-refrigerantes comparando o desgaste das ferramentas de uma operação específica com parâmetros e materiais definidos.
2.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
O estudo tem como objetivos:
Comparar o desgaste das ferramentas de corte com a utilização de diferentes fluidos lubri-refrigerantes;
Avaliar a diferença de utilização entre fluidos sintéticos e semissintéticos baseado no desgaste das ferramentas.
3. EMBASAMENTO TEÓRICO
O embasamento teórico também é chamado de “revisão da literatura”, “fundamentação teórica”, “referencial teórico” ou ainda “marco teórico”. Neste sentido, serão abordados os principais conceitos que referem-se ao tema do trabalho.
3.1 USINAGEM
O conceito relacionado a usinagem é amplamente empregado no meio mecânico, o termo significa submeter um material a um processo para transformação em uma peça (FERRARESI, 1969). É um número muito grande de empresas espalhadas pelo mundo que realizam este tipo de atividade, pois este ato de dar formas aos materiais se tornou de grande necessidade na industrialização e até mesmo uma forma de avaliar o desenvolvimento da sociedade. Este processo de fabricação promove a retirada de material por cisalhamento, sendo esta porção removida denominada de cavaco.
A usinagem tem por objetivo atender principalmente as seguintes necessidades:
Acabamentos superficiais;
Obtenção de formas peculiares com (saliências, reentrâncias, furações passantes e com roscas etc);
Fabricação em série de peças com menores custos;
Fabricação de peças de qualquer forma a partir de um bloco de material.
Dentro da usinagem, as principais operações podem ser classificadas em: torneamento, fresamento, aplainamento, furação, mandrilamento, serramento, brochamento e roscamento, sendo que para qualquer uma destas é imprescindível a utilização de fluidos lubri-refrigerantes (FERRARESI, 1969).
3.2 FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES
Levando em conta um processo de manufatura, qualquer possibilidade para aumento da produtividade ou redução de custos ligados direta ou indiretamente devem ser considerados. A utilização de fluidos lubri-refrigerantes (quando escolhidos e aplicados de forma apropriada) trazem benefícios. A escolha do fluido lubri-refrigerante deve recair sobre
aquele que possuir composição química e propriedades corretas, considerando as adversidades de um processo de corte específico. Na prática, ele deve ser aplicado de forma com que o método permita a sua chegada muito próximo da aresta na interface entre o cavaco e a ferramenta, assegurando um bom resultado do objetivo do fluido lubri-refrigerante (MACHADO; et al, 2009).
Segundo Ferraresi (1969), Frederick Winslow Taylor verificou em 1894 que ao aplicar grande quantidade de água na região de corte, seria possível ter um aumento na velocidade de corte em 33%, sem gerar prejuízos para a vida da ferramenta.
Com o passar dos anos, e por consequência grandes avanços tecnológicos nos materiais e máquinas ferramenta, houve um aumento na demanda de fluidos lubri-refrigerantes, sendo que esta busca acaba estimulando a competitividade, que como uma espécie de cadeia, provoca melhoria na qualidade e preços dos produtos disponíveis no mercado. Além disso, outros pontos que alavancaram a utilização dos fluidos lubri-refrigerantes se devem aos avanços obtidos em sua fabricação, principalmente no desenvolvimento de novos aditivos. Por consequência, os fluidos lubri-refrigerantes atualmente utilizados apresentam melhores propriedades refrigerantes e lubrificantes, oferecendo menores riscos para a saúde dos operadores e com uma vida mais prolongada (MACHADO; et al, 2009).
No atual cenário mundial, um dos principais fatores que está contribuindo para o aumento da qualidade e incentivos a pesquisas referente aos fluidos lubri-refrigerantes é a questão ambiental, com leis cada vez mais severas, para que os fluidos não gerem consequências danosas para o meio ambiente, desde sua utilização nos processos de usinagem até o seu descarte.
Em contrapartida, devido à multiplicidade de efeitos negativos gerados pela utilização dos fluidos lubri-refrigerantes, tais como danos ao meio ambiente e agressão à saúde do operador, especial atenção está sendo voltada à seleção eficiente de tais fluidos lubri-refrigerantes, por garantir menores impactos ao meio ambiente. As restrições resultantes da legislação não conduzem apenas às limitações e dificuldades com processos de manufatura e a um acréscimo de custo indesejável a elas associado, mas também força a desenvolver tecnologias novas e alternativas. Isto representa um novo desafio tecnológico aos cientistas e engenheiros e aumenta a importância da manufatura ecológica como um fator competitivo.
[...] O manuseio incorreto dos fluidos lubri-refrigerantes pode gerar resultados desagradáveis que vão desde problemas no processo de fabricação e ataques à saúde dos operadores até o descarte prematuro deste produto. [...] A aplicação dos fluidos lubri-refrigerantes nos processos de usinagem gera vapores, sobretudo, no contato do refrigerante com superfícies quentes e em movimento da peça trabalhada, da ferramenta, ou do cavaco, comprometendo o ar do local de trabalho.
A pressão e o aquecimento do fluido lubri-refrigerante também exercem influência no grau de evaporação. Este comprometimento do ar, em decorrência do uso de
aerossóis e dos vapores de agentes refrigerantes, varia em função, por exemplo, das propriedades físico-químicas do fluido lubri-refrigerante, da velocidade de rotação das peças que estão sendo trabalhadas e do aquecimento das superfícies.
Acredita-se que há substanciais evidências de aumento do risco de câncer, em diferentes órgãos do corpo humano, associado com a utilização dos fluidos lubri-refrigerantes. O tipo e quantidade dos constituintes químicos dos fluidos podem variar para as diferentes classes, alguns destes componentes são considerados carcinogênicos, como por exemplo a N-nitroamina (OLIVEIRA; ALVES, 2007, p. 130-131).
3.3 FUNÇÕES DOS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES
No primeiro teste realizado por Taylor, foi utilizado apenas a água como fluido lubri-refrigerante, no entanto, ela possui duas principais desvantagens, promovendo oxidação e possuindo baixo poder lubrificante. Os óleos possuem um melhor poder de lubrificação em comparação com a água, reduzindo o calor gerado no contato entre a peça e a ferramenta, assegurando maior qualidade e acabamento superficial.
Conforme Forraresi (1969), a utilização do fluido lubri-refrigerante pode gerar uma melhoria de caráter funcional ou econômico. As de caráter funcional, facilitam o processo de usinagem, melhorando o seu desempenho e podem ser divididas em algumas principais, conforme abaixo:
Redução do coeficiente de atrito entre a ferramenta e o cavaco: menor quantidade de calor gerado pelo atrito.
Remoção dos cavacos da área do corte: para algumas operações na usinagem, como a furação profunda, o único meio de se retirar o cavaco desta região é pelo fluxo do fluido lubri-refrigerante, no entanto deve haver um fluxo de alta pressão e baixa viscosidade com cavacos pequenos.
Refrigeração da ferramenta e da peça;
Melhoria do acabamento superficial;
Lubrificação a baixas velocidades;
Refrigeração da máquina-ferramenta;
Redução da dilatação térmica da peça, facilitando a obtenção de tolerâncias mais justas; As de caráter econômico, induzem a um processo de usinagem com vantagens econômicas, conforme listadas abaixo:
Redução da energia de corte durante o processo de usinagem: a ação do fluido lubrificante reduz a força de usinagem;
Redução do custo da ferramenta durante a operação: o custo da ferramenta no processo de usinagem está diretamente ligado com a vida útil da ferramenta, desta forma, uma ferramenta terá menor custo quanto maior sua produção. O fluido lubri-refrigerante diminui a severidade da ação abrasiva e por consequência reduz o desgaste da ferramenta.
Proteção contra a oxidação: as superfícies usinadas estão suscetíveis a sofrer ação de agentes exteriores (umidade, vapores ácidos, ataques corrosivos) impactando diretamente na qualidade das peças. Com a aplicação do fluido, gera uma melhoria através da película de fluido, que acaba ficando aderida a superfície da região usinada na peça.
3.3.1 Fluido lubri-refrigerante como refrigerante
Segundo Diniz, Marcondes e Copinni (1999), mesmo com os fluidos lubri-refrigerantes possuindo as funções já citadas, eles acabam sendo de maior importância no que ser refere a refrigeração e lubrificação.
Para retirar calor de forma eficiente da região de corte o fluido deve possuir:
Baixa viscosidade para fluir facilmente;
Capacidade de “molhar” o material para estabelecer um bom contato térmico;
Alto calor específico e condutividade térmica.
Com isso, é possível prolongar a vida das ferramentas e garantir precisão dimensional pela redução dos gradientes térmicos. Em um processo de usinagem, quanto maiores as velocidades de corte, maiores serão as temperaturas e por consequência a necessidade de refrigeração.
Figura 4 – Distribuição de temperaturas
Neste processo, grande parte do calor gerado vai para o cavaco. Na Figura 5, pode ser melhor verificada esta condição.
Figura 5 – Distribuição do calor gerado
Fonte: Portal CIMM (Centro de Informação Metal Mecânica)
A temperatura não pode ultrapassar um valor excessivo, especialmente na região de gume, para que a ferramenta não tenha desgaste excessivo, o que pode gerar redução de sua dureza. Na Figura 6 pode ser verificado as temperaturas críticas para diversos materiais.
Figura 6 – Temperaturas críticas
3.3.2 Fluido lubri-refrigerante como lubrificante
Segundo Diniz, Marcondes e Copinni (1999), com a utilização do fluido lubri-refrigerante como meio lubrificante, é possível adquirir uma redução do coeficiente de atrito entre cavaco e ferramenta. O fluido acaba penetrando entre as superfícies com o auxílio da vibração entre a ferramenta, peça e cavaco, sendo que o atrito depende da rugosidade entre as superfícies de contato.
A superfície do cavaco e da ferramenta não são perfeitamente lisas, ou seja, possuem rugosidade que são minúsculas saliências formando picos e vales de ordem micrométrica. Os picos de maior saliência desgastam a ferramenta, gerando por consequência, calor e força de atrito. Mantendo-se esta progressão de desgaste, estas partículas soldam-se no gume da ferramenta, formando o gume postiço (MACHADO; et al, 2009).
Para que um fluido atenda um bom poder de lubrificação, algumas características são essenciais:
Resistir a altas pressões e temperaturas sem evaporizar;
Características anti fricção e anti soldantes.
Além destas características desejáveis para os fluidos, acaba sendo de grande importância somar a necessidade de ausência de odores desagradáveis, assim como não causar nenhum dano a pele ou qualquer outro risco a saúde do homem.
3.4 CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES
Os fluidos lubri-refrigerantes líquidos representam a maior parte das aplicações nas operações de usinagem, no entanto, de forma eventual, são utilizados os fluidos gasosos e sólidos. Dentre os fluidos gasosos o mais comum é o ar, ainda existem aqueles resfriados com temperaturas negativas que podem gerar um maior aumento na vida útil das ferramentas, porém, economicamente ainda não são viáveis em processos comuns de usinagem (MACHADO; et al, 2009). Os fluidos líquidos são classificados em óleos, emulsões e soluções.
3.4.1 Óleos
Os óleos de origem animal e vegetal foram os primeiros a serem utilizados, no entanto, sua utilização se tornou inviável devido ao alto custo e rápida deterioração, mas até hoje são empregados como aditivos para os óleos minerais (MACHADO; et al, 2009).
Óleos minerais são obtidos através do refino do petróleo e possuem calor específico, cerca de metade do da água, tendo desta forma capacidade de refrigeração menor do que as emulsões, em contrapartida, suas qualidades lubrificantes são muito melhores.
Óleos mais leves devem ser utilizados para usinagens realizadas com parâmetros em alta velocidade de corte, onde o calor deve ser rapidamente dissipado, enquanto os óleos mais viscosos são preferíveis para maiores avanços e profundidade de usinagem, resultando em maior taxa de calor e remoção de cavacos.
3.4.2 Emulsões
“São emulsões de óleo em água. Compõem-se de pequena porcentagem de um concentrado de óleo emulsionável, usualmente composto por emulsificadores de óleo mineral e outros ingredientes, dispersos em pequenas gotículas de água” (DINIZ; MARCONDES, COPINNI 1999, p. 169).
Os emulsificadores reduzem a tensão superficial da água e facilitam a dispersão do óleo na água. São comumente chamados de forma errônea, de solúvel, no entanto, não são uma solução de óleo em água (água e óleo não se misturam), mas água com partículas de óleo dispersas em seu interior.
As emulsões são apropriadas para as operações de usinagem, onde o principal requisito necessário é a refrigeração da ferramenta ou peça, a necessidade de lubrificação não possui muita criticidade.
Mesmo pelo fato que as emulsões são essencialmente água, com variação do óleo entre 1 a 20%, possuem um excelente poder de lubrificação, pois a presença do óleo mineral, emulsificadores e inibidores de corrosão superam as principais desvantagens da água (DINIZ; MARCONDES, COPINNI 1999).
“Os fluidos semissintéticos também são formadores de emulsões e se caracterizam por apresentar entre 5% e 50% de óleo mineral no fluido concentrado, além de aditivos e
compostos químicos que de fato se dissolvem na água e formam moléculas individuais”. (MACHADO; et al, 2009, p. 163).
A coloração menos leitosa e mais transparente do fluido é propiciada pela presença de grande quantidade de emulsificante. Apresentam em suas composições menor teor de óleo mineral, aditivos químicos solúvel em água e biocidas que aumentam a vida útil do fluido e reduzem os riscos à saúde dos operadores.
3.4.3 Soluções
“As soluções são compostos monofásicos de óleos que se dissolvem completamente na água. Nesse caso não há necessidade de adição de agentes emulsificantes, pois os compostos reagem quimicamente, formando fases únicas”. (MACHADO; et al, 2009, p. 163).
Em geral, estas substâncias permitem rápida dissipação de calor, bom controle dimensional, excelente poder detergente e boa visibilidade da região de corte, facilidade no preparo da solução e elevada resistência à oxidação do fluido e à corrosão. Os fluidos sintéticos apresentam elevada estabilidade microbiológica, não necessitando ser periodicamente descartado devido ao ataque de bactérias. Esta característica proporciona uma redução de tempo de máquina parada para limpeza e reabastecimento do reservatório.
3.4.4 Análise comparativa
A Tabela 1 pode ser utilizada como comparativo referente às principais diferenças levando em consideração suas características.
Tabela 1 – Característica dos principais fluidos lubri-refrigerantes utilizados
Ao realizar uma comparação entre os fluidos semissintéticos pertencentes ao grupo das emulsões e os sintéticos que pertencem as soluções, é possível identificar que ambos possuem pontos positivos, assim como pontos negativos (estes destacados em vermelho) conforme apresentados abaixo:
Semissintéticos:
Excelentes propriedades lubri‐refrigerantes;
Propriedades anticorrosivas;
Tratamento / descarte fácil;
Gasto de biocidas;
Absorção de óleo contaminante; Risco de espuma.
Sintéticos:
Rejeita óleo contaminante;
Excelente controle de bactéria /menor gasto de biocidas;
Baixos níveis de troca do banho;
Aplicação em usinagem leve a severa;
Baixa formação de espuma;
Operação limpa;
Oxidação por acúmulo de cavacos.
3.5 ADITIVOS
Segundo Machado, et al (2009) certas propriedades especiais são conferidas aos fluidos lubri-refrigerantes por meio de aditivos, que são produtos químicos ou orgânicos. Os aditivos mais usados são:
Antiespumantes: evitam a formação de espuma que poderia impedir a boa visão da região de corte e comprometer o efeito de refrigeração do fluido;
Anticorrosivos: protegem a peça, a ferramenta e a máquina ferramenta da corrosão (são produtos à base se nitrito de sódio);
Antioxidantes: tem a função de impedir que o óleo se deteriore quando em contato com o oxigênio no ar;
Detergentes: reduzem a deposição de iôdo, lamas e borras (composto de magnésio, bário, cálcio, etc);
Emulgadores: são responsáveis pela formação de emulsões de óleo na água;
Biocidas: substâncias ou misturas químicas que inibem o crescimento de micro-organismos;
Agentes de extrema pressão (EP): para operações mais severas de corte, eles conferem aos fluidos lubri-refrigerantes uma lubricidade melhorada, para suportarem elevadas temperaturas e pressões de corte, reduzindo o contato da ferramenta com o material.
3.6 DIREÇÃO E MÉTODO DE APLICAÇÃO DOS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES
Existem três direções de aplicação dos fluidos lubri-refrigerantes, sendo que não existe um consenso sobre a melhor para realizar a aplicação, elas serão apresentadas conforme Figura 7.
Figura 7 – Aplicação dos fluidos
Fonte: MACHADO; et al, (2009, p. 168.)
Direção A: Aplicação convencional de fluido na forma de jorro à baixa pressão (sobre cabeça), pelo fato dos primeiros sistemas serem rígidos e com pouco acesso de realizar a aplicação em outras direções.
Direção B: Aplicação de fluido entre a superfície de saída da ferramenta e a parte inferior do cavaco, possuindo como desvantagem a aplicação ao sentido contrário ao do movimento dos cavacos.
Direção C: Aplicação do fluido entre a superfície de folga da ferramenta e a peça, tendo a vantagem de atingir diretamente a interface ferramenta e peça, tendo por consequência redução de desgaste no flanco contribuindo para a qualidade da superfície a ser usinada, além de ser uma posição normalmente protegida da ação dos cavacos.
Quanto aos métodos de aplicação do fluido, existem basicamente três:
Jorro de fluido à baixa pressão (torneira à pressão normal): sendo este o mais utilizado pela sua simplicidade, onde normalmente um jato direto, um fluxo contínuo de fluido é diretamente aplicado nas interfaces cavaco / ferramenta ou ferramenta / superfície usinada na operação de usinagem.
Pulverização: oferece vantagens sobre o jorro de fluido devido ao maior poder de penetração e velocidade, no entanto requer maiores investimentos e equipamentos mais complexos. O fluido é aplicado diretamente na operação sob a forma de gotículas suspensas em vapor em alta velocidade injetado através de um jato de ar pressurizado.
Sistema a alta pressão (Atomização): um dos aspectos mais importantes é a redução de resíduos, pois o fluido é atomizado geralmente com ar comprimido e direcionado a interface de corte por meio de esguichos, e devido ao fato do fluido ser aplicado em baixíssimas taxas, quase a totalidade do fluido é levado junto, no entanto este método não pode ser utilizado para auxiliar na retirada de cavacos. (MACHADO; et al, 2009).
3.7 MÍNIMA QUANTIDADE DE LUBRIFICANTE
Em Walker (2013), o termo de mínima quantidade de lubrificação (MQL) é utilizado quando uma pequena quantidade de fluido é misturado com o ar e adicionado ao processo de usinagem, sendo que estas quantidades mínimas são suficientes para reduzir de forma substancial o atrito na ferramenta e evitar aderência ao material.
Esta técnica vai ao encontro dos objetivos da indústria no sentido de aumentar a produtividade com redução de custos, sendo as mesmas atingidas com a substituição do uso abundante do fluido por uma quantidade mínima e ao mesmo tempo atendendo aos requisitos ecológicos. No entanto, esta técnica ainda está bastante restrita, principalmente pelo custo necessário com equipamentos para pressurizar o ar, equipamentos de dosagem, estação misturadora, sistema de alimentação por bicos ejetores e os demais suportes tecnológicos necessários para superar as restrições da refrigeração convencional.
3.8 SELEÇÃO DO FLUIDO LUBRI-REFRIGERANTE
A seleção do melhor fluido lubri-refrigerante a ser utilizado é bastante difícil, principalmente pelo fato da gama de produtos existentes no mercado, que podem ser utilizados para sanar necessidades específicas dos mais variados processos de usinagem. O custo é alto e desta forma a utilização do fluido deve ser justificada economicamente com os benefícios superando os investimentos.
Os principais fatores para a escolha do fluido adequado são o material da peça a ser usinada, a severidade da operação (condições de usinagem) e o material da ferramenta (MACHADO; et al, 2009).
3.8.1 Material da peça
O ferro fundido cinzento, normalmente é usinado a seco em função dos cavacos de ruptura, por sua vez no maleável, (se o fluido for usado) deve ser um óleo integral ou tipo especial de emulsão, enquanto o fundido branco é considerado mais difícil, necessitando aditivos nas emulsões.
Os aços, de uma forma geral, representam o maior volume de material usinado, existindo para isso uma grande variedade de composições disponíveis, desta forma, todos os fluidos lubri-refrigerantes podem ser utilizados e a escolha acontece baseada em outros fatores, não sendo em específico o material da peça.
Em geral, para os aços de baixo carbono, emulsões e óleos com baixa viscosidade são indicados, já para aços com médio e alto teor de carbono e aços-liga, com a mesma concentração de carbono, recomendam-se emulsões e para os aços inoxidáveis, devem ser usinados com a aplicação de óleos com aditivos de extrema pressão (EP) à base de cloro e enxofre (DINIZ; MARCONDES, COPINNI, 1999).
3.8.2 Condições de usinagem
A severidade das operações de usinagem tem grande variação dentro da gama de processos, e desta forma a seleção do fluido lubri-refrigerante pode variar, desde as emulsões que são altamente refrigerantes, até os óleos que são predominantemente lubrificantes. A Figura 8 apresenta uma classificação das principais operações.
Figura 8 – Classificação das operações
Fonte: MACHADO; et al (2009, p. 173.)
A utilização do óleo ocorre quando as condições de usinagem são severas (operações de desbaste, onde tem-se maior avanço e profundidade de usinagem em somatório com baixa velocidade de corte) tendo por consequência elevadas forças de corte, sendo necessário a lubrificação entre as partes. Quando as condições de usinagem são mais brandas, com maior velocidade de corte, é preferível a utilização de emulsões, necessitando principalmente maior refrigeração (FORRARESI, 1969).
3.8.3 Material da ferramenta
A taxa de remoção de material na usinagem ocorre a partir da escolha do material da ferramenta, sendo que esta taxa indicará as temperaturas de corte e as tensões geradas. Desta forma, as ferramentas de aço carbono e aço liga devem ser utilizadas com menores temperaturas e por consequência maior refrigeração, assim como as ferramentas de aço rápido (MACHADO; et al, 2009).
Os metais duros suportam qualquer tipo de óleo de corte, mediante análise dos demais critérios de seleção dos fluidos. Para as operações com ferramentas cerâmicas, a base de óxidos, devem ser realizadas sem fluido lubri-refrigerante, evitando, desta forma, a variação da temperatura que é danosa para este tipo de ferramenta (MACHADO; et al, 2009).
A utilização dos fluidos lubri-refrigerantes para as ferramentas de cerâmicas, cermets, ferramenta com cobertura de óxido de alumínio, nitretos cúbicos de boro cristalino,
diamantes que são ferramentas muito resistentes ao calor com alta dureza a quente somente acontece para evitar danos as peças (MACHADO; et al, 2009).
3.9 CUIDADOS COM OS FLUIDOS LUBRI-REFRIGERANTES
O controle dos fluidos deve ser padronizado e deve compreender o monitoramento principalmente das propriedades / características de viscosidade, concentração, potencial corrosivo, pH, concentração de contaminantes, presença de microrganismos e qualidade da água (MACHADO; et al, 2009).
A reciclagem ou descarte dos fluidos é outro aspecto relevante, pois envolve as etapas a seguir:
Decantação para remoção de material particulado grosseiro, como os cavacos;
Flotação para remoção de particulado fino;
Uso de hidrociclones ou centrífugas para remoção de contaminantes muito finos;
Filtração por gravidade, pressão ou vácuo;
Tratamento da água (correção de dureza, deionização e destilação);
Controle biológico.
Segundo Machado, et al (2009), o descarte é mais frequente que a reciclagem em função de possuir menor custo, entretanto antes de ser despejado na rede de esgoto, também torna-se necessário que sofra os seguintes tratamentos:
Separação do óleo proveniente do sistema de lubrificação da máquina e de contaminantes sólidos;
Adição de ácido sulfúrico até que o pH = 3,5 seja atingido;
Adição de sulfato de alumínio para provocar a precipitação de hidróxido de alumínio;
Estabilização com a formação de flocos de hidróxido de alumínio;
Remoção dos flocos de hidróxido de alumínio;
Despejo da água isenta de óleo na rede de esgoto.
3.9.1 Taxa de diluição
A concentração dos fluidos lubri-refrigerantes solúveis varia conforme o tipo de produto em uso e suas aplicações específicas. O limite inferior não deve ser ultrapassado, pois este valor refere-se a mínima concentração de utilização do fluido para que o mesmo
mantenha suas propriedades lubrificantes e anticorrosivas de projeto. Comumente é indicado em termos de taxa de diluição, onde indica-se o valor adequado para se obter a concentração de projeto apropriada em termos de proporção entre a quantidade de fluido lubri-refrigerante solúvel concentrado e a quantidade de água a ser adicionada (SILVA; BIANCHI; OLIVEIRA, 1999).
3.9.2 Análise de pH
O potencial hidrogeniônico (pH), é um índice que indica a acidez, neutralidade ou alcalinidade de um meio qualquer, a escala pode variar de 0 até 14, sendo que quanto menor, mais ácida a substância será.
O pH é um parâmetro determinante no potencial anticorrosivo dos fluidos de usinagem, pois quando ele for muito baixo a tendência é a aumentar a probabilidade de corrosão favorecendo a contaminação bacteriológica, visto que elas consomem os compostos anticorrosivos (STRAATMANN, 2002).
No boletim técnico dos fornecedores deve conter o pH ideal que deve ser controlado para ocorrer um melhor aproveitamento das características dos fluidos lubri-refrigerantes.
3.10 CONTAMINANTES OU DEGRADANTES DOS FLUÍDOS DE CORTE
Segundo Straatmann, (2002) os fluidos lubri-refrigerantes são susceptíveis à contaminação, tanto por bactérias, fungos, algas, ou leveduras, onde o pH típico está na faixa de 8,5 até 9,5. Vale ressaltar que um pH muito alcalino não é suficiente para inibir o crescimento de microrganismos, no entanto, um valor próximo ao neutro permite um rápido desenvolvimento de bactérias. A contaminação e o tipo de contaminante dependem da condição a qual o fluido lubri-refrigerante está exposto.
A temperatura é um dos fatores mais importantes que afetam o crescimento e o desenvolvimento dos microrganismos, pois em temperaturas muito baixas ou muito altas, a maioria não está apta a crescer. Quando a temperatura aumenta, as taxas de reações enzimáticas na célula são maiores e o crescimento torna-se mais rápido. Quando a temperatura é elevada dentro de uma certa faixa, as funções de metabolismo e de crescimento aumentam até o ponto onde as reações de inativação se iniciam, e após este ponto, as funções celulares caem rapidamente para zero. Cada microrganismo tem uma faixa de pH dentro da
qual o crescimento é possível e, usualmente meios naturais têm valores entre 5 a 9 e somente poucas espécies podem crescer em valores menores que 2 ou maiores que 10 (STRAATMANN, 2002).
Outro fator que deve ser levado em consideração é a influência do oxigênio no crescimento bacteriano. O processo de biodeterioração dos fluidos lubri-refrigerantes pode ser dividido em 6 etapas:
Degradação de emulsionante acompanhada por uma instabilidade e separação do óleo;
Aumento da corrosão;
Mau cheiro;
Redução do pH;
Redução dos níveis de componentes ativos específicos;
Acúmulo de biofilme microbiano.
O consumo e perda de atividade dos componentes anticorrosivos não são os únicos efeitos da contaminação, mas principalmente a perda de lubricidade. Os componentes dos fluidos podem parcialmente ser perdidos, ou muitas vezes completamente degradados, na presença de contaminação por microrganismos.
A contaminação por fungos resulta em formação de camadas sobrenadantes de óleo, entupimento de filtros e tubulações, enquanto que a contaminação por líquidos estranhos acaba gerando uma medição inexata na concentração, podendo ocasionar maior desgaste das ferramentas, entupimento dos filtros e névoa de óleo (SILVA; BIANCHI; OLIVEIRA, 1999).
3.11 PROCEDIMENTOS DE LIMPEZA NAS MÁQUINAS DE USINAGEM
Normalmente, quando trata-se de lubrificação ou refrigeração na usinagem, o primeiro ponto a ser considerado é a escolha do fluido a ser utilizado, desempenho do produto, na vida útil entre demais características. Entretanto, a preocupação com a limpeza e higienização prévia de reservatórios e seus componentes, bem como das linhas de circulação, também podem fazer toda a diferença na vida útil e desempenho dos fluidos lubri-refrigerantes no processo de usinagem.
O fluído deve ser monitorado e controlado diariamente, seja pelo operador ou até mesmo por técnicos responsáveis pelo setor. A contaminação e, consequentemente, o apodrecimento do óleo solúvel causam danos à máquina (oxidação de barramentos, por
exemplo), geram um odor desagradável, oxidam as peças usinadas e podem comprometer a saúde do operador (QUIMATIC TAPMATIC, 2014).
Quando se torna necessária a troca do fluido, em função desta contaminação e degradação, a limpeza e higienização do sistema é de suma importância para manter a nova condição o maior tempo possível longe de contaminação. Os principais processos para garantir uma limpeza eficiente são:
Desengraxe: Responsável pela remoção de todo resíduo gorduroso (óleos e graxas); Desinfetante: para eliminação de microrganismos contaminantes que possam prejudicar a nova solução.
Conforme procedimento de limpeza descrito na instrução de manutenção (IMAN) número 3400025/00, pertencente a empresa Bruning Tecnometal, a limpeza programada dos tanques de emulsão das máquinas de usinagem consiste na remoção dos cavacos, borras, óleos indesejáveis e bactérias. Os objetivos da realização deste procedimento são para manter o nível útil de líquido no tanque da máquina, reduzir o mau cheiro do produto devido a saturação do tanque com cavacos, borras e proliferação de bactérias, manter a eficiência e aumentar a vida útil do produto na máquina, reduzir os descartes de efluente e consumo de produtos.
O procedimento propriamente dito consiste na retirada dos cavacos e demais sujidades com a utilização de um Kit de limpezas definido no procedimento de forma manual com a esteira da máquina ligada. Antes da retirada da máquina, todo o gabinete deve ser esguichado com o próprio fluido para remoção de resíduos. É importante salientar que não deve ser utilizado ar comprimido para não danificar as proteções telescópica, assim como solventes, ácidos, produtos abrasivos ou detergentes na parte interna ou externa da máquina.
A próxima operação consiste na retirada do fluido e do lodo acumulado com a utilização de um aspirador e posteriormente encaminhamento para descarte destas substâncias em uma área responsável definida. O tanque e o transportador devem ser lavados com a utilização de um lava jato à quente apenas com água, e a limpeza dos filtros de pressão também deve ser realizada. A verificação de possíveis vazamentos de óleo na máquina ou sistema também deve ser feita e em caso de ocorrência o concerto deve ser realizado.
Após o término da limpeza o novo fluido deve ser colocado de forma suficiente para que a bomba seja ligada, onde ele deve circular em um tempo definido no procedimento para remoção dos últimos resquícios de contaminações ainda existentes. Com a retirada desta
substância o fluido deve ser recolocado na máquina em sua totalidade e as propriedades controladas conforme instrução descrita no procedimento.
3.12 FERRAMENTAS DE CORTE
Segundo Forraresi (1969), as ferramentas foram um dos primeiros instrumentos a ser utilizado pelo homem, desde as eras da pré-história. Feitas de pedra ou de madeira, constituíam uma espécie de suplemento para a força do ser humano para a realização de tarefas. Com o tempo foi aperfeiçoando a qualidade dos materiais utilizados, até atingir-se a idade dos metais, quando utilizou-se pela primeira vez o cobre e aprendeu a torná-lo mais duro através do martelamento à frio.
Atualmente, a evolução dos materiais continua constante e as ferramentas de corte são as que possuem um mais intenso aprimoramento. Desde a utilização de materias de aço carbono temperado, passando pelo aço rápido desenvolvido por Taylor e White, o metal duro desenvolvido por Voitlander e Lohmann e produzido pela empresa Fredrich Krupp A. G, até o uso de ferramentas de diamante policristalino e as modernas coberturas para ferramentas, foi possível usinar numa velocidade muito maior e com muito menor tempo (FORRARESI, 1969). A seleção do material e da classe da ferramenta de corte é um fator importante a ser considerado ao planejar uma operação de usinagem bem-sucedida.
Conhecimento básico de cada material da ferramenta de corte e seu desempenho é, portanto, importante para a seleção correta de cada aplicação. As considerações incluem o material da peça a ser usinado, o tipo de peça e o formato, as condições de usinagem e o nível de qualidade superficial para cada operação (SANDVIK, 1994).
Os materiais da ferramenta de corte possuem diferentes combinações de dureza, tenacidade e resistência ao desgaste e são divididos em várias classes com propriedades específicas. Geralmente, um material para ferramenta de corte bem-sucedido em sua aplicação deve ser:
Duro, para resistir ao desgaste de flanco e à deformação;
Tenaz, para resistir a quebras;
Não reativo com o material da peça;
Quimicamente estável para resistir à oxidação e à difusão;
O metal duro surgiu em 1927, com o nome de Widia (wie diamant - como diamante em alemão). Inicialmente, sua composição era 81% de tungstênio, 6% de carbono e 13% de cobalto (CIMM, 2007).
As primeiras ferramentas compostas unicamente de carbonetos de tungstênio (WC) e cobalto eram adequadas para a usinagem de ferro fundido, porém durante a usinagem do aço, havia formação de cratera na face da ferramenta, devido a fenômenos de difusão e dissolução ocorridos entre o cavaco da peça e a face. Para solucionar tais problemas, acrescentou-se outros carbonetos (CIMM, 2007).
Com a adição de carbonetos de titânio (TiC), o material adquiri pouca tendência à difusão, resultando na alta resistência dos metais duros e redução da resistência interna e dos cantos. Já com carbonetos de tântalo (TaC) e carboneto de nióbio (NbC) em pequenas quantidades, diminuem o tamanho dos grãos, melhorando a tenacidade e a resistência dos cantos (CIMM, 2007).
As propriedades do metal duro são determinadas pelo tipo e tamanho das partículas, tipo e propriedades dos ligantes, técnica de manufaturamento e quantidade de elemento de liga.
Metal duro revestido apresenta-se atualmente em 80-90% de todas as pastilhas para ferramenta de corte. Seu sucesso como um material da ferramenta deve-se à sua exclusiva combinação de resistência ao desgaste e tenacidade, além de sua habilidade para conformidade com formatos complexos (CIMM, 2007).
Figura 9 – GC4325 insertos de metal duro marca Sandvic
3.12.1 Vida e desgaste das ferramentas
Um dos principais fatores que determinam a produtividade em um processo de usinagem é a condição da ferramenta utilizada, uma vez que o seu desgaste interfere na qualidade das peças, na sua precisão dimensional e, finalmente, no custo do produto final. As falhas da ferramenta de corte (desgaste e ruptura) representam aproximadamente 20% da vida de uma ferramenta na máquina.
A vida útil de uma ferramenta pode ser definida como o tempo em que trabalha efetivamente, com capacidade normal de corte. O ideal é utilizá-la enquanto as peças produzidas apresentarem as especificações dimensionais e de acabamentos ideais, determinadas pelo projeto. O desgaste ocorre porque, durante a usinagem, as ferramentas estão sujeitas a aplicações mecânicas e térmicas, além do atrito com o cavaco e com a superfície da peça. Estes fatores provocam o desgaste e até mesmo tornam inviável a utilização da ferramenta (CIMM, 2007).
A continuação do uso de uma ferramenta depois de ultrapassada sua vida útil não é indicada, pois corre o risco de entrar em colapso. Valores excessivos de desgaste causam aumento da força de usinagem e da geração de calor e, com o aumento da temperatura a resistência da ferramenta diminui, onde fraturas e danos irreversíveis à peça podem acontecer neste caso (MACHADO; et al, 2009).
O desgaste pode ser avaliado através de métodos diretos, nos quais se mede a geometria da ferramenta através de inspeção visual utilizando lupas, e inspeção ótica, utilizando microscópios. Nos métodos indiretos, utiliza-se a aquisição de valores medidos como aumento das vibrações, aumento do ruído, piora da qualidade superficial da peça e aumento de forças na usinagem.
Por maior que seja a dureza e a resistência ao desgaste das ferramentas de corte e por menor que seja a resistência mecânica da peça de trabalho, a ferramenta sofrerá um processo de destruição que, mais cedo ou mais tarde, exigirá sua substituição (MACHADO et al. 2009).
Convencionou-se realizar a medição dos desgastes no plano ortogonal da ferramenta, onde distinguem-se na superfície de saída e na de folga da ferramenta. A Figura 10 mostra alguns tipos e suas respectivas variáveis de medição (DINIZ; MARCONDES, COPINNI 1999).
Figura 10 – Alguns tipos de desgaste e as variáveis de medição em ferramentas de usinagem
Fonte: SÁ (2010, p. 28.)
Segundo Diniz, Marcondes e Copinni (1999) diversos são os tipos de desgastes e avarias que acontecem em uma ferramenta de usinagem, sendo que as principais estão descritas na sequência.
Desgaste frontal ou de flanco: Ocorre na superfície de folga da ferramenta, causado pelo contato entre ferramenta e peça. É o tipo de desgaste mais comum e ocasiona deterioração do acabamento superficial da peça e modifica totalmente a forma da aresta de corte original, faz com que a peça sofra variação dimensional, podendo sair de sua faixa de tolerância, sendo incentivado pelo aumento da velocidade de corte.
Figura 11 – Desgaste frontal ou de flanco
Desgaste de cratera: é o tipo de desgaste que ocorre na superfície de saída da ferramenta, causado pelo atrito entre ferramenta e cavaco. Pode não ocorrer em alguns processos de usinagem, principalmente quando se utiliza ferramentas de metal duro recobertas, cerâmicas e quando o material da peça é frágil. O crescimento do desgaste de cratera gera a quebra da ferramenta, quanto tal desgaste se encontra com o desgaste frontal.
Figura 12 – Desgaste de cratera
Fonte: Sandvik
Deformação plástica da aresta de corte: É um tipo de avaria da ferramenta. Muitas vezes a pressão aplicada à ponta da ferramenta somada a alta temperatura gera deformação plástica da aresta de corte. Tais deformações provocam deficiências do controle de cavacos e deterioração do acabamento superficial da peça. O crescimento desta deformação pode gerar a quebra da aresta de corte. Em geral, as classes mais duras e as coberturas mais espessas melhoram a resistência ao desgaste por deformação plástica.
Figura 13 – Deformação plástica da aresta de corte
Lascamento: Ocorre principalmente devido a sobrecargas mecânicas ou aliado à propagação das trincas. À medida que se aumenta a velocidade de avanço, cresce também a espessura do cavaco e consequentemente as forças de corte, aumentando também a chance de ocorrer o lascamento com a remoção repentina de parte considerável da ferramenta. Frequentemente o lascamento está relacionado às descontinuidades durante o corte, principalmente ao utilizar ferramentas de baixa tenacidade.
Figura 14 – Lascamento
Fonte: Sandvik
Trincas: São causadas pela variação da temperatura ou pela variação dos esforços mecânicos. Quando as trincas tem origem térmica (variação de temperatura) elas ocorrem perpendicularmente a aresta de corte e quando tem origem mecânica são paralelas a aresta. Alguns fatores que geram estas situações são o corte interrompido, acesso irregular do fluido lubri-refrigerante, variação da espessura de corte e solda da pastilha no porta-ferramenta. O crescimento das trincas leva à quebra da ferramenta.
Figura 15 – Trincas
Quebra: Todos os desgastes e avarias da ferramenta ao crescerem podem gerar quebra da ferramenta, no entanto algumas vezes a quebra pode ocorrer inesperadamente devido a alguns fatores como ferramenta muito dura, carga excessiva sobre a ferramenta, raio de ponta, ângulo de ponta ou ângulo de cunha pequenos, corte interrompido, parada instantânea do movimento de corte, entupimento dos canais de expulsão de cavacos. A quebra da ferramenta ocasiona não somente dano na ferramenta mas também no porta-ferramenta e na própria peça.
Figura 16 – Quebra
Fonte: Sandvik
Segundo Diniz, Marcondes e Copinni (1999) vários são os fenômenos causadores dos desgastes da ferramenta, sendo que os principais estão descritos na sequência.
Aresta postiça de corte: Muitas vezes na usinagem pode-se formar na superfície de contato entre o cavaco e a superfície de saída da ferramenta, uma camada de cavaco que permanecendo aderente à aresta de corte, modifica seu comportamento com relação à força de corte, acabamento superficial da peça e desgaste da ferramenta. Em baixas velocidades de corte, a parte inferior do cavaco, em contato com a ferramenta, sob a pressão de corte na zona de aderência, mantém este contato sem movimento relativo um espaço de tempo suficiente para se soldar a ferramenta, separando-se de outras porções de cavaco e permanecendo presa à superfície de saída. Com o posterior fluxo de mais cavacos sobre esta camada já fixa, ela se deforma e se encrua, aumentando sua resistência mecânica e fazendo as vezes de aresta de corte a qual possui como tendência crescer gradualmente até um certo momento que rompe-se bruscamente, causando uma perturbação dinâmica. Parte da aresta é carregada com o cavaco e parte adere a peça prejudicando o acabamento superficial.
