A lubrificação/refrigeração nas operações de corte de metal tem a finalidade de refrigerar a área de contato da ferramenta com a peça e, assim, aumentar a vida da ferramenta e possibilitar maior velocidade de corte. Devido à necessidade de utilizar esta técnica, hoje há muitas formulações de óleos e técnicas de lubrificação para cada tipo de material e de ferramenta utilizados na usinagem.

Entretanto, uma preocupação das indústrias é reduzir custos e, ao mesmo tempo, atender os elevados padrões de qualidade impostos pelo mercado. Minimizar e até mesmo eliminar a utilização dos fluidos de corte nos processos de usinagem são oportunidades importantes para a redução de custos[2].

Entre os aspectos positivos da usinagem sem fluido incluem-se as reduções do choque térmico, das trincas e dos lascamentos, principalmente nas usinagens que utilizam pastilhas cerâmicas com corte interrompido. Além disso, o cavaco obtido já está seco e pronto para ser vendido ou reciclado, ao contrário do cavaco molhado, que requer processamento e filtragem[3].

A técnica apresentada neste artigo é denominada de mínima quantidade de lubrificante (MQL) e foi aplicada na usinagem com pastilhas de nitreto cúbico de boro (CBN). Os processos de usinagem com pastilhas de CBN normalmente não usam lubrificantes porque este material é extremamente sensível a choques térmicos. Como é utilizado na usinagem de peças já com tratamento térmico (temperadas), as temperaturas atingidas são muito elevadas[8].

O avanço e a automação dos processos de corte, bem como o desenvolvimento dos novos materiais, permitiu que peças e componentes mecânicos fossem fabricados com alta precisão e complexidade, em linhas de produção mais rápidas e eficientes.

Porém, para obter esse resultado, é necessário selecionar tanto a ferramenta de corte quanto o sistema de lubrificação/refrigeração mais adequados para o processo[1].

No processo em análise para este estudo de caso, a peça possui parte do corpo temperada, o qual foi usinado com ferramentas de CBN e sem lubrificação/refrigeração (a seco). Ao término desta usinagem, foi realizado um furo na parte do corpo da peça sem tratamento térmico, utilizando lubrificação/refrigeração abundante, indispensável neste tipo de processo.

Durante a usinagem do material temperado, as ferramentas de CBN atingiram temperaturas elevadas e, ao iniciar a etapa de furação, o óleo lubrificante respingou nas pastilhas, que ainda se encontravam com a temperatura elevada. Isso gerou microtrincas, devido ao choque térmico sofrido.

Sistema de lubrificação

A lubrificação consiste em introduzir uma substância apropriada entre superfícies sólidas que estejam em contato entre si e que executam movimentos relativos. Essa substância, normalmente um óleo ou uma graxa, impede o contato direto entre as superfícies sólidas. Quando recobertos por um lubrificante, os pontos de atrito das superfícies sólidas fazem com que o atrito sólido seja substituído pelo atrito fluido, ou seja, entre uma superfície sólida e um fluido. Nessas condições, o desgaste entre as superfícies é bastante reduzido.

Além dessa redução do atrito, se a substância lubrificante for selecionada corretamente, são alcançados objetivos como menor dissipação de energia na forma de calor e redução da temperatura (pois o lubrificante também refrigera), além de reduções da corrosão, de vibrações, de ruídos e de desgaste[9].

Sistema MQL

A utilização da técnica de mínima quantidade de lubrificação (MQL, do inglês minimal quantity lubrification) revelou-se uma alternativa muito vantajosa relativamente à lubrificação abundante no corte para diversos tipos de processos de usinagem. Consiste em utilizar uma pequena quantidade de óleo de corte sem resíduo pulverizado sobre a peça usinada, exatamente no ponto de contato com a ferramenta.

Por esta técnica, a função de lubrificação é assegurada pelo óleo e a de refrigeração, mesmo que pequena, pelo ar comprimido. Esta pequena quantidade de óleo (1/8) é suficiente para reduzir o atrito no corte e diminuir a tendência à aderência em materiais com tais características[4].

O princípio básico de funcionamento do sistema MQL consiste no arrastamento de uma pequena quantidade de lubrificante por uma corrente de ar comprimido dirigido sobre a zona de corte. Esse arrastamento provoca a atomização do lubrificante, fazendo com que a sua distribuição na zona de corte seja uniforme[5].

A utilização de MQL aumenta de duas a 20 vezes a vida útil da ferramenta, em comparação com a usinagem de lubrificação abundante, devido ao lubrificante ser aplicado exatamente onde ele é necessário. A tecnologia MQL produz uma faixa de temperaturas mais constante, como evidenciado por relatórios produzidos pela Associação Alemã de Engenheiros[11].

Além das vantagens econômicas e de processo, a técnica MQL apresenta benefícios ecológicos e para a saúde dos operadores, a exemplo de:

 

• não há problemas de descarte de refugo associados ao lubrificante,

• o cavaco é seco e pode ser reciclado sem processamento adicional,

• não há ameaça ao potencial hídrico, do ar ou do solo,

• não há desperdício de água,

• não há ingrediente nocivo (alcoóis graxos, óleos ésteres naturais) e

• não deixa o piso escorregadio[11].

 

Ferramentas de usinagem

Nem sempre é possível produzir peças e componentes para máquinas e equipamentos dentro do formato ou com as dimensões que se necessita. Uma das maneiras de se dar forma à peça é o uso de ferramentas de corte que retiram o excesso de matéria-prima na forma de cavacos, até atingir as dimensões e formas necessárias.

Muitas vezes, o processo de usinagem é utilizado para dar acabamento à peça, em tarefas de ajustes finais e regularização da superfície. Com isso, são removidos defeitos superficiais que gerariam atrito ou, ainda, a oxidação proveniente do processamento[12].

As características do material com o qual a ferramenta é fabricada vão determinar as condições em que ela poderá ser operada com máxima eficiência[10].

CBN

Material relativamente jovem, introduzido nos anos 50 e mais largamente nos anos 80, o nitreto cúbico de boro (CBN) consegue atender à exigência de estabilidade e potência da máquina-ferramenta. É uma forma alotrópica sintética do nitreto de boro, obtida sob condições de altas pressões e altas temperaturas (HPHT).

O CBN geralmente é obtido a partir do nitreto hexagonal de boro (HBN), outro produto artificial. Os compactos sinterizados de CBN também são produzidos em condições de altas pressões e altas temperaturas, na faixa de 6 a 8 GPa e entre 1.800 e 2.300 K, juntamente com os ligantes apropriados, em tempos que variam até 30 minutos[13].

Como características principais do CBN podem ser citadas a dureza elevada, alta resistência a quente, sensibilidade a choques térmicos, excelente resistência ao desgaste, ser relativamente quebradiço, alto custo e excelente qualidade superficial da peça usinada[7].

O nitreto cúbico de boro é somente superado pelo diamante em termos de dureza, como ma-

Figura 1 – Componente do eixo de rodas

terial comercialmente aplicado na indústria. Seu principal uso está relacionado à usinagem de aços endurecidos (até 98 HRC), desbaste e acabamento, cortes severos e interrompidos, peças de ferro fundido coquilhado, usinagem de aços forjados, componentes com superfície endurecida e ligas de alta resistência a quente. Atualmente, o CBN também é conhecido comercialmente pelos nomes de Amborite, Sumiboron e Borazon[13].

Material e métodos

Para cumprir o objetivo desse trabalho, foi adquirido um sistema de refrigeração MQL para a operação de torneamento duro. O processo foi realizado no acabamento da peça em estudo, apresentada na figura 1, que é um componente do eixo de rodas de máquinas agrícolas.

O componente é produzido com o aço SAE 8642H e torneado com ferramentas de CBN. A usinagem do material endurecido é realizada a seco, mas o processo de furação necessita ser lubrificado para reduzir o atrito entre a ferramenta e a peça e, consequentemente, reduzir o calor na área de corte. Como

Figura 2 – Ferramentas utilizadas no torneamento de material endurecido

 

o sistema de refrigeração da máquina possui alta vazão de líquido lubrificante, as pastilhas de CBN acabam sendo impregnadas e o consequente choque térmico reduz drasticamente a sua vida útil.

O atual sistema de refrigeração da máquina de torneamento duro (por emulsão de lubrifi cante) será substituído pelo sistema MQL, para executar a lubrifi cação da furação no componente em estudo. A substituição tem o intuito de aumentar a vida útil das pastilhas de CBN e evitar avarias por microtrincas. Dessa forma, cairá o investimento com aquisição de ferramentas.

A usinagem do eixo da roda tem como fi nalidade o acabamento superfi cial e dimensionamento preciso, o que torna este processo especial por se tratar também de corte interrompido em material com dureza em torno de 54 HRC. O torneamento duro ocorre ao longo do corpo da peça, e uma usinagem posterior de furação fi naliza o processo. São utilizadas quatro ferramentas de CBN para acabamento e uma broca Sumochan, da Iscar, para o processo de furação no fl ange da peça sem tratamento térmico (figura 2).

A usinagem é iniciada com a ferramenta T11, de descrição comercial RNGN090300S-01525 CBN050C, que é responsável pelo acabamento da área dentada do componente do eixo. Em seguida, entra a ferramenta T01, de descrição comercial TNGX110308S-01525-WZ -CBN050C, que executa o acabamento de parte do corpo da peça e do raio na base. A próxima operação utiliza a ferramenta T02, cuja descrição comercial é DNGA150408 T01030 AWH 7015 e é responsável pelo acabamento do rebaixo do corpo da peça e chanfros.

A usinagem com CBN é finalizada com a ferramenta T03, comercialmente conhecida por TM123-GE01-446083, que executa o rebaixo na área dentada do componente do eixo de roda.

Depois de realizadas todas as operações, chega-se ao objetivo deste trabalho. A seguir, inicia-se a operação de furação que utiliza a ferramenta T04, de descrição comercial Broca DCN 170-051-20A-3D, que utiliza a ponteira de metal duro ICP 175 2M IC9 08. A broca também possui, acoplada a seu corpo, o chanfrador Ring DCN

Figura 3 – Microtrinca gerada na pastilha de CBN

 

170, que utiliza a pastilha de metal duro XOGX 090700-45 DT IC 528. Broca, ponteira, chanfrador e pastilha desta são responsáveis pela furação da base da peça, bem como pelo chanfro de cada furo.

A necessidade de lubrificação durante a furação gerou o estudo e acompanhamento técnico para a eliminar as microtrincas das pastilhas de CBN. Estas ferramentas foram utilizadas nas operações anteriores, que atingiram temperatura de cerca de 1.200oC. No momento da operação de furação, inicia-se a lubrificação em abundância das áreas furadas, utilizando o óleo lubrificante Blaser Blasocut BC 20. Foram gerados respingos de óleo por todo o interior da máquina, que atingiram o magazine de ferramentas e até mesmo as pastilhas de corte. As consequentes microtrincas ocasionaram o lascamento das pastilhas.

Para comprovar a existência das microtrincas, foram realizados ensaios de micrografia no centro de microscopia eletrônica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), utilizando o microscópio JEOL JSM-6060. Foi possível visualizar nitidamente as microtrincas, como mostrado na figura 3.

A vida útil estimada das ferramentas era de aproximadamente 60 minutos de usinagem. No entanto, a vida útil suportada era de apenas 36 minutos em média. Após constatar-se que a vida das ferramentas era reduzida devido ao choque térmico durante a operação de furação, decidiu-se implantar o sistema MQL Coolant jet - High Pressure System, utilizando o óleo vegetal Vascomill CSF 22, código 2519-01.

A instalação do sistema de lubrificação MQL foi bem-sucedida, pois a máquina era compatível com a adaptação. Após instalar o sistema MQL, continuou-se o processo de usinagem normalmente, com as mesmas velocidades de corte e avanço utilizadas no sistema com lubrificação abundante. Foi monitorado o processo e notou-se que a vida útil das ferramentas passou de 36 para cerca de 70 minutos de usinagem, um acréscimo de aproximadamente 94%.

Resultados e discussão

Após a implantação do sistema MQL e a execução da usinagem das peças, observa-se considerável aumento da vida útil das ferramentas de CBN. Quando se utiliza o sistema de lubrificação abundante, com óleo mineral, as ferramentas apresentam vida útil média de 36 minutos de usinagem, contra média de 70 minutos com MQL e óleo vegetal (tabela 1).

A partir da alteração, as ferramentas de corte passaram a ser descartadas por desgaste da

Figura 3 – Microtrinca gerada na pastilha de CBN

170, que utiliza a pastilha de metal duro XOGX 090700-45 DT IC 528. Broca, ponteira, chanfrador e pastilha desta são responsáveis pela furação da base da peça, bem como pelo chanfro de cada furo.

A necessidade de lubrificação durante a furação gerou o estudo e acompanhamento técnico para a eliminar as microtrincas das pastilhas de CBN. Estas ferramentas foram utilizadas nas operações anteriores, que atingiram temperatura de cerca de 1.200oC. No momento da operação de furação, inicia-se a lubrificação em abundância das áreas furadas, utilizando o óleo lubrificante Blaser Blasocut BC 20. Foram gerados respingos de óleo por todo o interior da máquina, que atingiram o magazine de ferramentas e até mesmo as pastilhas de corte. As consequentes microtrincas ocasionaram o lascamento das pastilhas.

Para comprovar a existência das microtrincas, foram realizados ensaios de micrografia no centro de microscopia eletrônica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), utilizando o microscópio JEOL JSM-6060. Foi possível visualizar nitidamente as microtrincas, como mostrado na figura 3.

A vida útil estimada das ferramentas era de aproximadamente 60 minutos de usinagem. No entanto, a vida útil suportada era de apenas 36 minutos em média. Após constatar-se que a vida das ferramentas era reduzida devido ao choque térmico durante a operação de furação, decidiu-se implantar o sistema MQL Coolant jet - High Pressure System, utilizando o óleo vegetal Vascomill CSF 22, código 2519-01.

A instalação do sistema de lubrificação MQL foi bem-sucedida, pois a máquina era compatível com a adaptação. Após instalar o sistema MQL, continuou-se o processo de usinagem normalmente, com as mesmas velocidades de corte e avanço utilizadas no sistema com lubrificação abundante. Foi monitorado o processo e notou-se que a vida útil das ferramentas passou de 36 para cerca de 70 minutos de usinagem, um acréscimo de aproximadamente 94%.

Resultados e discussão

Após a implantação do sistema MQL e a execução da usinagem das peças, observa-se considerável aumento da vida útil das ferramentas de CBN. Quando se utiliza o sistema de lubrificação abundante, com óleo mineral, as ferramentas apresentam vida útil média de 36 minutos de usinagem, contra média de 70 minutos com MQL e óleo vegetal (tabela 1).

A partir da alteração, as ferramentas de corte passaram a ser descartadas por desgaste da

Figura 4 – Gasto anual com emulsão x MQL no torneamento de material endurecido

aresta de corte, devido ao aumento médio de 94% na produção, e não mais por trincas ou quebras. E os gastos foram transferidos para reabastecimento do óleo lubrificante e substituição das ferramentas de corte a cada 70 minutos em média. Com o sistema de lubrificação em abundância, os gastos eram direcionados para o óleo lubrificante e reposição das ferramentas de corte a cada 36 minutos em média.

Devido ao acréscimo da vida útil das ferramentas de CBN no processo de torneamento duro com o sistema MQL, houve redução de R$ 47.000,00 no custo anual referente à substituição das ferramentas danificadas, em comparação com processo de lubrificação em abundância, uma economia de 50%.

O preço por litro do óleo utilizado na lubrificação MQL é 60% mais caro do que o litro do óleo usado na lubrificação abundante. Contudo, o consumo anual do óleo utilizado no sistema MQL é 97% menor do que a quantidade de óleo usado no sistema de lubrificação em abundância. A redução de custos anual é de R$ 5.234,40. A comparação de custos pode ser vista na fi gura 4 (pág. 24).

No gráfico não está incluso o valor gasto na aquisição do sistema MQL, cujo investimento retornou ainda no primeiro ano de uso.

Conclusão

Após comparar o sistema de lubrificação MQL em substituição da lubrificação abundante no processo de usinagem de peças complexas utilizando ferramentas de CBN, conclui-se que a mínima quantidade de lubrificação proporciona excelente redução de consumo de óleo, bem como redução de custos e aumento na vida útil das ferramentas.

Devido à pequena quantidade de lubrifi cante utilizada no processo de furação, foram eliminados os respingos de óleo gerados na lubrifi cação abundante, evitando a ocorrência de microtrincas nas ferramentas de CBN. Os benefícios proporcionaram economia de aproximadamente 50% no custo do processo, além de contribuirem para a saúde dos operadores, com um processo limpo e adequado às questões ambientais.

Contudo, o sistema MQL necessita de uma avaliação técnica muito apurada para cada tipo de processo. Muitos estudos estão sendo desenvolvidos e fabricantes de máquinas-ferramenta já o adotaram. E isso representa uma excelente oportunidade para realização de pesquisas na área.

Referências

 

1. Callister, J. W.: Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. Ed. LTC, Rio de Janeiro, 7^a ed., 2008.

2. Ferraresi, D.: Fundamentos da usinagem dos metais. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1977.

3. Klocke, F.; Eisenblätter, G.: Dry cutting. Anais do Cirp, v. 46, no 2, 1997.

4. Novaski, O.; Dörr, J.: Usinagem sem refrigeração. Revista Máquinas e Metais, São Paulo, no 399, 1999.

5. Oikawa, M. H.; Bianchi, E. C.; Destro, R. S.; Sousa, R. M.; Canarim, R. C.; Alves, M. C. S.; Aguiar, P. R.: Cerâmicas avançadas no processo de retifi cação cilíndrica externa de mergulho utilizando a técnica da mínima quantidade de lubrifi cação (MQL) com rebolos diamantados. Revista Matéria, v. 16, no 1, p. 560-573, RJ, 2011.

6. Pereira, J. C. C.: Determinação de modelos de vida de ferramenta e rugosidade no torneamento do aço ABNT 52100 endurecido utilizando a metodologia de superfície de resposta (DOE). Dissertação entregue à Universidade Federal de Itajubá, Minas Gerais, 2006.

7. Richt, C.: Menos difícil e mais efi ciente. Revista Metalworking World da Sandvik Coromant, Suécia, no 3, p. 20-21, 2007.

8. Sales, G. T.: Torneamento do aço ASTM 300M endurecido com ferramentas de cerâmica e PCBN com geometria wiper. Dissertação apresentada à Universidade Federal de Itajubá, Minas Gerais, 2004.

9. Saulo, F. U.; Armine, E. P.: Lubrifi cação – Mecânica. Senai, ES, 1996.

10. Senai PR: Apostila - processos de fabricação. Curitiba, 2001.

11. SKF: Soluções de lubrifi cação. Disponível em <http://www.skf.com/portal/skf_lub/home/faq?contentId=875618&lang=pt>acessado em 5 de junho de 2012.

12. Stemmer, C. E.: Ferramentas de corte. Ed. da UFSC, Série Didática, 2^a ed., Florianópolis, 1998.

13. Valpassos, J. M.; Ramalho, A. M; Bobrovnitchii, G.; Monteiro, S. N.: Estudos preliminares da sinterização do nitreto cúbico de boro empregando ligantes à base de titânio. Tecnologia em Metalurgia e Materiais, São Paulo, v. 4, no 2, p. 12-16, 2007.