O processo de retificação é utilizado para obter componentes de alta precisão e baixa rugosidade, proporcionadas pelo contato entre a ferramenta abrasiva (rebolo) e a peça. É extremamente complexo, devido ao grande número de variáveis que podem afetar o resultado esperado, e o desvio de um único parâmetro é suficiente para comprometer todo o trabalho.

Durante o processo de retificação, é bastante intensa a interação entre os grãos abrasivos e a peça, o que gera grandes distorções térmicas na interface peça-rebolo, resultando em danos térmicos que podem comprometer a integridade superficial da peça[5]. Um desses danos é a queima que, além de provocar a perda da qualidade superficial, gera o desgaste do rebolo, devido à maior adesão entre as partículas metálicas e os grãos abrasivos[1].

De acordo com Irani[4], um dos principais fatores que limitam a taxa de produção do processo de retificação é a presença dos danos térmicos na zona de corte, que pode ser amenizada com a utilização dos fluidos de corte. Segundo Oliveira et al[9], além da capacidade lubrificante e refrigerante, os fluidos de corte podem remover os cavacos da região de corte, desobstruindo as porosidades.

A considerável demanda pela aplicação de fluidos de corte nas operações de retificação é atribuída à necessidade de qualidade superficial e manutenção da vida útil da ferramenta. Junto a isso, a aplicação dos fluidos de corte de forma eficaz na zona de atrito peça-rebolo reduz as forças de corte em cerca de 50% sob determinadas condições de usinagem[8,13]. Gomes et al[3] afirmam que elevadas forças de corte podem causar deterioração da qualidade superficial da peça, podendo então levar ao aumento da perda diametral do rebolo.

Apesar dos benefícios para os processos de usinagem, a utilização de fluidos de corte pode comprometer a saúde do operador, além de ser um agravante quando descartado no meio ambiente[10]. El Baradie[2] cita as principais doenças que surgem por meio do contato e exposição dos operadores ao fluido de corte: dermatite, foliculite e ceratoses. Além disso, a presença de alguns componentes químicos, como a N-nitroamina pode elevar o risco de desenvolver câncer.

Dentre a diversidade de fluidos disponíveis no mercado, o que representa maior perigo à saúde do trabalhador é o óleo integral; o de menor agressividade é o solúvel. Entretanto, os óleos solúveis não são totalmente isentos do risco carcinogênico, já que muitos componentes presentes no óleo integral também fazem parte da composição do óleo solúvel, porém em concentrações mais baixas[10].

Ao longo do processo de corte, os fluidos sofrem degradação, que pode ocorrer por meio da contaminação de bactérias ou mesmo de microcavacos. Quando ocorre a degradação, o fluido perde propriedades e diminui o desempenho em processo[7]. Segundo Piubeli et al[11], além de contribuir para degradar o fluido, a presença de bactérias provoca também a corrosão das peças trabalhadas, devido à redução do pH.

El Baradie[2] relata que o pH do fluido abaixo de 8,5 aumenta a probabilidade de oxidação da peça. Por outro lado, se o pH estiver acima de 9,3, aumenta o risco de irritações na pele dos operadores. Entretanto, o que se vê na prática é o uso dos fluidos de corte com pH entre 8,5 e 9,3.

Matos et al[6] citam que, ao perderem suas propriedades, os fluidos de corte utilizados nas operações de usinagem devem ser substituídos. Contudo, uma rigorosa lei que regulamenta a disponibilização dos resíduos oleosos (considerados como resíduos perigosos) torna necessária a redução do descarte. Uma opção seria reciclálo ou mesmo realizar a sua reformulação, desde que as suas propriedades sejam, no mínimo, mantidas.

Ao analisar os efeitos nocivos que os fluidos de corte trazem não só para a vida humana mas também para o meio ambiente, e diante da necessidade de uma manufatura ecologicamente correta, os novos fluidos de corte têm que satisfazer os requisitos de proteção ao meio ambiente, seja por meio de regulamentos, normas nacionais ou internacionais. Desta maneira, ao se desenvolver novos fluidos de corte, a qualidade deverá ser identificável tanto em termos de parâmetros de usinagem quanto em parâmetros ecológicos[12].

Diante disso, e para de atender as exigências ambientais, tornam-se necessárias pesquisas que envolvam o tratamento ou reformulação dos fluidos de corte e sua posterior análise no processo de usinagem. Dessa forma, o presente trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento do fluido de corte comercial recuperado (emulsão em água com 6% de óleo mineral) no processo de retificação e a sua eficiência relativamente aos níveis de produção.

Será verificado o potencial corrosivo do fluido e seu desempenho em relação a algumas variáveis de saída, como integridade superficial da peça (rugosidade, microestrutura, microdureza) e desgaste do rebolo. Por meio dos resultados obtidos, será possível determinar a viabilidade do fluido de corte recuperado nas operações de retificação cilíndrica de mergulho, de maneira a contribuir para a redução de custos com descarte e para uma manufatura ecologicamente correta.

Materiais e métodos

O desenvolvimento deste trabalho foi realizado por uma retificadora cilíndrica universal (operação externa de mergulho), na qual foram

Figura 1 – Divisão do corpo de prova a ser retificado

 

confeccionados corpos de prova de aço ABNT 4340 com dureza média de 52 HRC. Classificado como aço para beneficiamento, possui boa combinação entre resistência e tenacidade.

Por se tratar de um corpo de prova com comprimento superior à largura do rebolo, e para caracterizar o processo de retificação cilíndrica de mergulho, foi necessário dividi-lo em três etapas (1, 2 e 3), conforme figura 1.

A ferramenta de corte utilizada foi um rebolo convencional de óxido de alumínio (Al 2 O 3), com dimensões de 355,6 x 50,8 x 127 mm, classe FE 38A60KV, que tinha a medição do desgaste posteriormente à usinagem. A operação de dressagem do rebolo foi mantida constante com um dressador de ponta única, não influenciando as variáveis de saída do processo. Para o melhor resultado desta operação, foi aplicado o fluido de corte a uma vazão de 16 L/min.

O fluido de corte utilizado para realização dos ensaios foi uma emulsão em água com 6% do óleo mineral Mecafluid S 1100, que possui as seguintes informações do fabricante: 70 a 80% em peso de óleo naftênico, 1 a 5% em peso de bactericidas e 10 a 25% de aditivos (tensoativos, sulfonatos e inibidores de corrosão).

A recuperação do fluido era realizada mediante o uso de alcalinizantes e bactericidas quando o pH da emulsão atingia valor inferior a 8,5. Este valor é considerado fora das especificações, segundo o fabricante. Quanto à concentração e preparo dos alcalinizantes e bactericidas, foram seguidas as especificações do fabricante, sempre obedecendo a concentração de 6% de óleo em água.

A rugosidade foi definida pelo parâmetro de amplitude R a, de acordo com a norma JIS 2001 pelos parâmetros funcionais Rpv e Rvk, conforme a norma DIN 4776. Para este fim, foi utilizado o rugosímetro Mitutoyo, modelo SJ-301. O comprimento de medição utilizado foi de 0,8 mm. Para tanto, a rugosidade foi medida em quatro posições distintas e equidistantes a 90o, aproximadamente.

O desgaste diametral do rebolo foi possível de ser medido devido à não utilização da largura total do rebolo. A largura utilizável era de 50,8 mm e a largura a ser retificada, de 43,3 mm. Posteriormente, utilizou-se um corpo de prova cilíndrico retificado de aço ABNT 1020 fixado na própria retificadora, de forma a possibilitar a marcação do perfil desgastado do rebolo. Essa operação foi realizada após o fim de cada ensaio. O desgaste pôde então ser medido utilizando o parâmetro P do rugosímetro Mitutoyo, que é uma representação do perfil real da superfície.

Após a realização do processo de retificação, amostras de todas as condições foram submetidas a procedimentos metalográficos, para verificar os possíveis danos causados na superfície do material decorrentes das solicitações térmicas e mecânicas. A preparação das peças foi conduzida de maneira usual com o reagente Ni-tal 3%. As imagens foram obtidas em um microscópio eletrônico de varredura (MEV) com aumento de 1.000 vezes.

O processo de preparação das amostras para a análise de microdureza foi o mesmo utilizado no de lixamento e de polimento para análise da microestrutura. Os valores da microdureza foram obtidos usando um microdurômetro digital Shimadzu, com carga de 200 g e tempo de aplicação de 15 s, a uma distância de 10 mm da superfície das peças.

Para análise do potencial corrosivo do fluido foram pesados 2 g de ferro fundido sobre o papel-filtro já acondicionado na placa Petri. Em seguida, pipetou-se 2 ml

da amostra a ser testada e os cavacos de ferro foram umedecidos uniformemente e espalhados com o uso de uma espátula de plástico.

A placa de Petri foi recoberta e deixada em repouso durante 2 h. Depois, foi realizado o descarte dos cavacos e o papel do filtro foi lavado suavemente em água de torneira. O papel do filtro foi mergulhado rapidamente em acetona e secado sob temperatura ambiente. O grau de corrosão foi obtido posteriormente, em verificação visual (DIN 51.360).

Para os ensaios definitivos, foram estabelecidos os seguintes parâmetros de usinagem:

 

 

Destes parâmetros, eram alterados apenas a velocidade de mergulho e o tempo de centelhamento. Com a variação foi possível simular as condições de acabamento no processo de retificação, além de melhor avaliar a qualidade de lubrificação/refrigeração do fluido de corte durante diferentes situações de corte.

A execução dos ensaios foi feita sob três condições de corte distintas, o que possibilitou realizar a análise comparativa da eficiência dos fluidos de corte (comercial e recuperado) no processo de retificação conforme tabela 1.

Os ensaios foram constituídos por ciclos de retificação, os quais foram responsáveis pela penetração de 1 mm do rebolo durante sete ciclos em cada etapa do corpo de prova para as condições de usinagem 1 e 2. Na condição de usinagem 3, a penetração do rebolo foi de 0,2 mm durante 35 ciclos de retificação, procedimento também executado em cada etapa do corpo de prova. O sobremetal de 0,2 mm foi escolhido devido às condições de utilização no meio industrial, fazendo-se uma simulação do processo de fabricação. Assim, em todas as condições de usinagem foi possível obter uma redução de 7 mm no diâmetro do corpo de prova em cada etapa. Somando as três etapas, a redução foi de 21 mm no total de 105 peças.

Para todos os ensaios, foi feito um controle cuidadoso da concentração da emulsão, com a utilização dos diferentes fluidos de corte. Sempre que necessário, foi realizada a correção para o valor de 6% de óleo em água, antes do início dos ensaios.

Os testes com o fluido de corte recuperado só foram realizados após a necessidade de ajuste, de modo que os ensaios foram executados sempre com pH entre 8,5 e 9,3. Segundo o fabricante, esses valores estão dentro das condições ideais para o processo.

Resultados e discussões

Rugosidade

O acabamento superficial tem um papel importante no comportamento dos componentes mecânicos e está relacionado com a precisão de ajuste da máquina, as condições de usinagem e as tolerâncias de fabricação, que são especificadas de acordo com a aplicação da peça usinada.

Os valores médios de rugosidade para parâmetros de amplitude Ra referentes aos ensaios utilizando o fluido de corte comercial e recuperado são apresentados na figura 2 (pág. 62). Seus valores foram obtidos após sete ciclos de usinagem de 1 mm para as condições 1 e 2, com vf = 1,2 mm/min e 0,8 mm/min, respectivamente, e ts de 10 s em ambas as situações. Os valores para a condição 3 foram obtidos após 35 ciclos de

Figura 2 – Valores de rugosidade Ra obtidos nas condições 1 (a), 2 (b) e 3 (c) com emprego dos fluidos de corte comercial e recuperado

usinagem de 0,2 mm, com v f = 1,2 mm/min e t s de 5 s para cada etapa do corpo de prova.

Ao analisar a figura 2, constata-se que o comportamento da rugosidade em ambas as condições de lubrificação/refrigeração, obtidas durante os ensaios de retificação para todas as situações de corte, foram praticamente iguais, quando comparados os fluidos utilizados. Os menores valores foram encontrados na condição de usinagem 2, que utiliza menor força de corte.

Esses resultados foram satisfatórios, pois demonstram que foram mantidas as características primárias do fluido de corte recuperado. O processo não foi comprometido em termos de qualidade superficial da peça. Em alguns casos, permitiu até mesmo melhores valores de rugosidade.

Em aplicações de engenharia, muitas peças requerem características topográficas particulares, tais como capacidade de retenção de óleo, resistência ao desgaste e lubrificação, que são aspectos benéficos para determinadas aplicações. Dessa forma, a utilização dos parâmetros funcionais permite que as propriedades específicas de uma superfície sejam determinadas.

A figura 3 (pág. 64) demonstra os valores referentes ao parâmetro funcional Rvk, que está associado à capacidade de retenção de filmes lubrificantes e é decisivo para muitas aplicações mecânicas. Quanto maior o valor deste parâmetro, maior a capacidade de retenção de lubrificantes.

Pelos resultados obtidos, observam-se valores similares de rugosidade Rvk tanto na utilização do fluido de corte comercial quanto na do fluido de corte recuperado. Ou seja, a utilização de um fluido comercial ou recuperado proporcionará a uma determinada peça usinada uma superfície com a mesma capacidade de retenção de filmes lubrificantes em sistemas mecânicos intercambiáveis.

Este é um importante resultado, tendo em vista que o processo de recuperação do fluido mostrou-se eficaz a ponto de se obter uma superfície similar à obtida com o fluido comercial.

Em relação ao parâmetro funcional Rpk, que diz respeito à capacidade de deslizamento da superfície em uma montagem, também vale a proporção de quanto maior

 

Figura 3 – Valores de rugosidade Rvk obtidos nas condições 1 (a), 2 (b) e 3 (c) com emprego dos fluidos de corte comercial e recuperado

o valor, maior a capacidade. Para ambos os fluidos e em todas as condições de corte utilizadas, os valores médios de rugosidade Rpk são similares e, portanto, as superfícies obtidas nestas condições possuem a mesma capacidade de deslizamento. Entretanto, nota-se que os maiores valores foram obtidos em condições de usinagem menos agressivas (condição 2).

De uma forma geral, considerando os valores médios dos parâmetros funcionais Rvk e Rpk, nota-se que a utilização de um fluido comercial ou recuperado proporcionará a mesma superfície com a mesma capacidade de escorregamento e/ou deslizamento. Isso demonstra que a recuperação do fluido de corte não altera de maneira significativa as características superficiais do componente usinado.

Desgaste diametral do rebolo

O desgaste diametral do rebolo possibilita obter maiores informações sobre o desempenho do fluido de corte quando em operação. Os resultados apresentados na figura 4 (pág. 66) referem-se às diferentes condições de lubrificação/refrigeração utilizadas durante os ensaios com diferentes situações de corte:

 

 

Outra prova de que o processo não foi comprometido devido à utilização do fluido de corte recuperado são os resultados similares de desgaste diametral do rebolo sob diferentes condições de lubrificação/refrigeração. Além disso, é possível observar que para as condições 1 e 3, nas quais o rebolo possui maior agressividade, os valores para o desgaste foram maiores. Nestas mesmas condições também foram encontrados os melhores valores de desgastes quando da utilização do fluido de corte recuperado.

Microdureza

A figura 5 (pág. 66) apresenta os valores médios da microdureza em função do método de lubrificação/refrigeração e para cada uma das condições de usinagem. Com o intuito de verificar a influência do processo de retificação na microdureza, optou-se por medir uma amostra diretamente do tratamento térmico, ou seja, sem retificação.

Como se sabe, os valores de microdureza estão associados principalmente à capacidade de dissipação de calor e velocidade de resfriamento dos corpos de prova, pois a temperatura e o

Figura 4 – Valores de desgaste diametral do rebolo obtidos nas três condições de usinagem com emprego dos fluidos de corte comercial e recuperado

modo de resfriamento são fatores determinantes na definição da estrutura granular obtida.

Como foi observado no gráfico, os valores de microdureza para as diferentes aplicações de fluidos de corte se mantiveram relativamente iguais. Esse resultado indica que a retificação com o uso do fluido de corte recuperado proporcionou igual, se não melhor, dissipação do calor da peça, o que contribui para que a eficiência do processo seja mantida.

Microestrutura

A forma de aplicação, a velocidade, a vazão do fluido de corte e a geometria do bocal podem influenciar as solicitações térmicas e mecânicas da peça. Nas amostras analisadas por microscópio óptico, para verificar possíveis danos causados na superfície do material devido às solicitações térmicas e mecânicas (que comprometem a integridade superficial da peça), foi observada a presença marcante de martensita tanto no fluido recuperado quanto no fluido comercial. Isso explica a elevada dureza.

Da mesma forma que nos outros testes, não houve alteração significativa da microestrutura de uma amostra usinada com fluido comercial para outra trabalhada com fluido recuperado nas distintas situações de corte.

Ao se analisar a microestrutura das amostras, pode-se relacioná-las com os valores encontrados para microdureza, já que, da mesma forma que não

Figura 5 – Valores de microdureza obtidos para as três condições de usinagem com emprego dos fluidos de corte comercial e recuperado

 

houve alteração significativa na dureza do material, também não houve alteração significativa na sua estrutura.

Corrosão

Na maioria das vezes, a corrosão limita as condições do processo, já que pode reduzir a confiabilidade do produto e, consequentemente, a eficiência do sistema produtivo. No processo de retificação, onde o componente usinado deve possuir elevada qualidade superficial, a corrosão precisa ser evitada ou, pelo menos, controlada.

E essa é a função das propriedades anticorrosivas dos fluidos de corte, que protegem a peça, a ferramenta e os componentes da máquina. Os testes de corrosão foram realizados segundo a norma DIN 51.360 para ambos os fluidos de corte. O potencial anticorrosivo dos fluidos de corte é diretamente afetado pelo nível de contaminação, que também resulta na redução do pH. Fluidos com pH muito baixo têm o potencial de proteção reduzido.

Ao analisar os resultados registrados para o potencial corrosivo de ambos os fluidos, foi possível notar a presença de um maior número de manchas sobre a superfície das placas utilizadas para análise do fluido comercial. Isso demonstra que as propriedades anticorrosivas foram comprometidas.

Já ao analisar as placas utilizadas para o fluido recuperado, nota-se que não há presença de manchas. Isto porque, ao recuperar o fluido, elevando seu pH para valores entre 8,5 e 9,3, o nível de contaminação é reduzido e suas propriedades anticorrosivas são recuperadas.

Conclusão

De acordo com as análises realizadas a partir da retificação cilíndrica externa de mergulho do aço ABNT 4340 temperado e revenido, foi possível concluir que:

Referências

 

  1. Bianchi, E. C.; Alves, M. C. S.; Aguiar, P. R.: Influência da velocidade de avanço do rebolo nos danos de aços endurecidos retificados. Revista Matéria, v. 13, p. 636-642, 2008.

  2. El Baradie, M. A.: Cutting fluids: recycling and grinding machining. Journal of Material Processing Technology, p. 798-806, 1996.

  3. Gomes, J. O.; Carvalho, V. M.; Campos, L. A.: Qualidade de engrenagens e de rebolos com o uso de óleos minerais integrais. Revista Máquinas e Metais, p. 112-125, 2009.

  4. Irani, R. A.; Rauer, R. J.; Warkntin, A.: A review of cutting fluid aplication in the grinding process. International Journal of Machine Tools e Manufacture, p. 1696-1705, 2005.

  5. Malkin, S.: Grinding technology: theory and aplications of machining with abrasives. Chischester Ellis Horwood Ltd., 1a ed., 275 p., 1989.

  6. Mattos, M. et al: Recycling of oily ultrafiltration permeates to reformulate O/W emulsion. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspect, p. 8-5, 1989.

  7. Mello, M. F.: Retificação e afiação: princípios de retificação e afiação na indústria metal mecânica. São Paulo, Brasil, 322 p., 2011.

  8. Monici, R. D. et al.: Analysis of the different forms of application and types of cutting fluid used in plunge cylindrical grinding using conventional and superabrasive CBN grinding wheels. International Journal of Machine Tools e Manufacture, p. 122-131, 2006.

  9. Oliveira, J. D. et al.: Aprimoramento das condições de lubrificação/refrigeração na retificação de aços endurecidos. 6o Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, Caxias do Sul, p. 1-13, 2011.

  10. Oliveira, J. D.; Alves, S. M.: Adequação dos processos de usinagem utilizando produção mais limpa como estratégia de gestão ambiental. Produção, v. 17, no 1, p. 129-138, 2007.

  11. Piubeli, F. A. et al.: Caracterização microbiológica de uma emulsão mineral utilizada como fluido de corte nos processos de usinagem. Revista Iberoamericana de Ingenieria Mecanica, v. 12, no 1, p. 35-41, 2008.

  12. Sokovic, M.; Mijanovic, K.: Ecological aspects of the cutting fluids and its influence on quantifiable parameters of the cutting process. Journal of Materials Processing Technology, p. 181-189, 2001.

  13. Webster, J et al.: Assessment of grinding fluid effectiveness in continuous-dress creep feed grinding. Anais do Cirp, v. 5, p. 235-240, 2002.


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