A utilização dos fluídos de corte (FCs) nos processos de usinagem de certos materiais melhora as características tribológicas do sistema peça-ferramenta-cavaco. Durante o processo de corte dos metais é gerado uma grande quantidade de calor, devido à energia necessária para deformação do material e à energia decorrente do atrito ferramenta-peça e cavaco-ferramenta[4]. Os FCs atuam refrigerando e lubrificando a interface peça-ferramenta-cavaco, diminuindo as altas temperaturas geradas no sistema. Assim, se eles forem escolhidos e aplicados apropriadamente, seu uso é de extrema importância e pode trazer benefícios, reduzindo os custos de fabricação ou aumentando a taxa de produção[8].

Os fluidos de corte emulsionáveis ainda são os mais utilizados nas indústrias metalmecânicas durante os processos de usinagem de peças metálicas. Esses FCs, dependendo da sua concentração, apresentam alto poder refrigerante, fundamental para usinagem a alta velocidade. Seu uso em processos de usinagem ainda é regra dominante no mercado brasileiro, apesar das pressões ambientais que encarecem essa utilização, pois, além do preço dos insumos, é preciso contabilizar aqueles relacionados à manutenção e ao descarte correto. Estima-se que esses custos possam chegar a 16-17% do custo total do processo [19].

Os FCs emulsionáveis são compostos bifásicos de óleo mineral (ou vegetal) em água. Por possuir em sua formulação componentes utilizados como nutrientes por alguns microrganismos, esses fluidos possuem elevada predisposição a contaminação microbiológica (por bactérias e fungos) que metabolizam esses nutrientes, eliminando no fluido o resultado de seu processo metabólico. Vários autores, tais como Rossmoore[13] , Hodgson et al[6], Capelletti[3] , Thomé et al [20], Rabenstein et al[12], citam que o crescimento destes microrganismos e a liberação de seus restos metabólicos nos fluidos causam alterações em suas propriedades originais (aumento da viscosidade, desestabilização da emulsão, queda do pH da emulsão, perda da capacidade de lubrificação e refrigeração), descoloração da emulsão, maus odores, perda de qualidade das peças de trabalho e até mesmo da ferramenta.

Apesar das diversas citações indicando perda de eficiência dos fluidos de corte após contaminações, nenhuma delas apresenta comprovações experimentais. O objetivo desse trabalho foi investigar experimentalmente a influência da contaminação microbiológica nos fluidos de corte no processo de torneamento do aço inoxidável austenítico V304UF, quantificando as forças de usinagem do sistema. A partir dos valores obtidos desse parâmetro foi possível avaliar o desempenho dos fluidos de corte no processo.

Para isso, dois fluidos de corte (um de base vegetal e outro de base mineral) foram contaminados de maneira induzida (através de inoculações seriadas) até chegarem ao nível de contaminação média de 105 UFC/mL (unidades formadoras de colônias por mililitro). Esses foram comparados com os fluidos novos da mesma espécie e avaliados no processo de torneamento.

 

Materiais e métodos

Os ensaios de força de usinagem foram realizados no torno CNC modelo Multiplic 35D, equipado com dinamômetro piezoelétrico e amplificador de sinais, ambos fabricado pela Kistler Instruments, placa de aquisição de sinais e um computador equipado com o software Labview, fornecido pela National Instrument (figura 1).


Figura 1 – Desenho esquemático do sistema de aquisição de força: torno CNC Multiplic (a); peça (b); ferramenta (c); dinamômetro (d); amplificador (e); placa A/D (f); computador (g)
 

Utilizou-se como corpos de prova barras cilíndricas de aço inoxidável austenítico V304UF (fabricado pela empresa Villares Metals), com dureza média de 149 HB e ferramentas de metal duro revestidas com TiN (Sandvik Coromant) com a designação ISO SNMG120408-MF e suporte ISO DSBNR/L2525. Foram avaliados dois fluidos de corte – um de base vegetal (emulsionável) e outro de base mineral (semissintético) –, ambos miscíveis em água. Inicialmente foram testados os fluidos de corte novos (FCN) e, após, os contaminados (FCC).

De acordo com a literatura, a estabilidade dos FCs pode ser afetada pela qualidade da água[11]. Assim, para evitar outros tipos de contaminação (excesso de cloro), todos os fl uidos foram diluídos em água destilada estéril até alcançarem a concentração de 8% v.v-1.

Os FCs foram contaminados pela inoculação de bacilos gram negativos recuperados de indústrias parceiras a este estudo, representados por espécies não fermentadoras (Acinetobacter iowffii e Pseudomonas oleovorans) e espécies fermentadoras do grupo das enterobactérias (como Klebsiella oxytoca), utilizando o protocolo ASTM E2275 modificado, até que o fluido mantivesse constante a concentração bacteriana de 105 Unidade Formadora de Colônia por mililitro (UFC/mL).

Tal nível de contaminação foi confirmado após monitoramento diário do fluido, cessadas as inoculações, por meio de coleta de alíquotas de 10 mL de FC, submetidos a contagem de crescimento microbiológico em meio de cultura adequado. A contagem obtida de 105 UFC/mL, após a contaminação induzida, ficou acima daquela considerada crítica por Capelletti[3]. O autor relata que o nível considerado satisfatório de contaminação para o FC é aquele com contagens inferiores a 104 UFC/mL.

Antes de abastecer o reservatório da máquina com os fluidos de cor te novos (FCN), várias superfícies da mesma foram monitoradas quanto à presença de microrganismos (reser vatório, bicos de saída de fluido, mesa, dentre outros) obtendo contaminação zero após contagem de UFC. Além disso, a máquina foi submetida ao processo de desinfecção em algumas superfícies, com fluido não diluído (incompatível com a vida microbiana) e o próprio fluido de corte em maior diluição foi colocado para circular na máquina atingindo locais de acesso restrito.

Após esses procedimentos de limpeza, a máquina passou por novo monitoramento para detecção da presença de microrganismos obtendo resultado negativo em todas as coletas (esfregaços com swab nas superfícies) após 24, 48, 72 hs, 5 e 14 dias de cultivo. Após os ensaios com os FCN, realizou-se o procedimento de contaminação descrito anteriormente. A tabela 1 mostra a designação das siglas utilizadas nesse trabalho com suas respectivas cargas microbiológicas (nível de contaminação).

A comparação do desempenho dos fluidos de corte novos (FCN) e contaminados (FCC) foi realizada via ensaios com medição das componentes de forças de usinagem (corte e avanço) e rugosidade (Ra). O pH dos fluidos também foi monitorado. Com o objetivo de avaliar a capacidade de lubrificação e refrigeração dos FCs novos e contaminados (105 UFC/mL), os ensaios foram realizados com duas velocidades de corte, iguais a 125 m/min (relativamente baixa, onde esperava-se prevalecer a ação lubrificante do fluido) e 250 m/min (relativamente alta, onde esperava-se prevalecer a ação refrigerante do fluido).

Essas velocidades de corte, teoricamente, estão fora da faixa de formação de aresta postiça de corte (APC), isto é, acima de 80 m/min, que normalmente é o limite para operação com APC para os aços[21].

Os ensaios de forças de usinagem foram realizados em corpos de prova divididos em dois trechos, nos quais a velocidade de corte permanecia constante, variando apenas o avanço, que foi dividido em seis intervalos de 25 mm, entre 0,1 a 0,4 mm/rot (figura 2). Para garantir que o desgaste da ferramenta não influenciasse os resultados das forças de usinagem, o processo foi monitorado com paradas programadas, para medir o desgaste de flanco a cada 25 mm de usinagem. Quando o desgaste de flanco médio (VBB) chegava próximo a 0,1 mm, trocava-se a aresta de corte por outra nova.


Figura 2 – Representação da fixação do corpo de prova dividido em dois trechos de usinagem e seus respectivos intervalos
 

Além disso, esses testes foram realizados em apenas um diâmetro da barra. Assim, foi garantido que não houvesse influência da possível variação de dureza do material ao longo da seção transversal e do desgaste da ferramenta nos sinais de forças coletados. Os parâmetros de usinagem utilizados nesse ensaio são mostrados na tabela 2.

Ressalta-se que, em todos os ensaios, os FCs foram aplicados a aproximadamente 50 mm da região de corte, em abundância (jorro) e vazão média de 13,6 L/min.

Para a avaliação da rugosidade, o parâmetro de medição utilizado foi o desvio aritmético médio (Ra ). Esse valor representa a média dos valores absolutos das ordenadas em relação à linha média, no comprimento de amostragem (NBR ISO 4287, 2002).

Foi analisado o acabamento após os processos com avanço de 0,1 e 0,16 mm/rot em velocidade de corte de 125 e 250 m/min. Para tanto, utilizou-se o rugosímetro Mitutoyo modelo Surftest SJ-201, com comprimento de amostragem (cut-off) igual a 0,8 mm e comprimento de avaliação igual a 4 mm (ISO 4288, 1996). Nesses testes, também foram utilizadas ferramentas novas com desgastes de flanco menores de 0,1 mm.

O pH dos FCs foi medido com o pHmetro portátil digital ION modelo PH-500. As medições foram realizadas em sala climatizada, com temperatura média de 20,8°C. Todos os dados apresentados neste artigo são ensaios constituídos por um teste e duas repetições e a contaminação média dos FCs é da ordem de 105 UFC/mL.

 

Resultados e discussões

Forças de usinagem

Os resultados dos ensaios de forças de corte (Fc) e avanço (Ff) em função do avanço (f) da ferramenta, para duas velocidades de corte estabelecidas, utilizando os fl uidos em abundância (jorro) FCN-A, FCC-A, FCN-B e FCC-B são apresentados na figura 3.


Figura 3 – Gráficos das forças de corte e avanço (Fc e Ff) em função do avanço (f) utilizando FCN-A, FCC-A, FCN-B e FCC-B com ap = 1 mm; z = 13,6 L; vc = 125 m/min (a); vc = 250 m/min (b); vc = 125 m/min (c); e vc = 250 m/min (d)
 

É evidente, nessas figuras, que o aumento do avanço promove um aumento linear nas componentes de força de usinagem investigadas. Isso era esperado, pois o avanço aumenta a área da seção de corte, afetando diretamente a força de usinagem[8].

A figura 3a mostra que, em baixa velocidade de corte (125 m/min), a utilização do FCC-A causou um pequeno aumento nas forças de corte, quando comparado ao FCN-A. Já no gráfico da figura 3b, ensaios com alta velocidade de corte (250 m/min) não indicaram evidências significativas que comprovassem alterações nas forças de usinagem investigadas, ou seja, para as condições de usinagem estabelecidas, as forças de corte e avanço utilizando FCN-A e FCC-A foram praticamente as mesmas.

Os valores médios das forças (Fc e Ff) no processo utilizando o FCC-B apresentaram ligeiro aumento quando comparados com o FCN-B. Isso é evidente na figura 4c que mostra maior diferença entre as forças de avanço no intervalo de avanço de 0,1 a 0,22 mm/rot.

Ferraresi[5], Diniz et al[4] e Machado et al[8] citam que, a baixas velocidades de corte, os FCs são capazes de atuar na região de escorregamento do cavaco e exercer a sua função lubrificante, diminuindo o coeficiente de atrito na interface cavaco-ferramenta. Sendo assim, se as propriedades lubrificantes dos FCs forem alteradas (pela degradação microbiológica), acredita-se que as forças de usinagem (em relação ao FCN) podem aumentar, pois o mesmo não desempenhará as suas funções com eficiência.

Analisando os gráficos das figuras 3a e 3c, pode-se afirmar que, a baixa velocidade de corte (vc = 125 m/min), houve um pequeno aumento nos valores médio das forças (Fc e Ff) quando os FCC-A e FCC-B foram utilizados, respectivamente. Em processos a baixa velocidade de corte, o fluido tende a apresentar boas características lubrificantes a fim de diminuir o atrito do sistema cavaco-ferramenta-peça e as forças de usinagem. Assim, essas pequenas variações dos índices de força podem ter ocorrido devido à pequena perda da lubricidade dos fluidos de corte, devido ao ataque bacteriano.

Já nos ensaios a alta velocidade de corte (vc = 250 m/min), durante os quais se acredita que os fluidos de corte têm maior dificuldade de penetração na região de escorregamento da interface cavaco-ferramenta, – devido à ação hidrodinâmica induzida, relacionada com a velocidade de saída do cavaco[16] –, a função refrigerante dos FCs é de extrema importância.

Para essa velocidade, a temperatura na região de corte é elevada, assim, a característica refrigerante dos FCs tende a ser dominante. Como nos ensaios da figura 3b não houve praticamente nenhuma alteração nas forças, sugere-se que os FCN-A e FCC-A refrigeraram o sistema igualmente, mantendo as forças de usinagem constantes, ou seja, não houve influência nas características refrigerante do fluido.

Como citado anteriormente, os FCs (A e B) foram contaminados de maneira induzida, até atingirem o nível de contaminação bacteriana média igual a 105 UFC/mL. Este valor está entre o intervalo de 104 a 1010 UFC/mL, o qual Mattsby-Blatzer et al[10], Sloyer et al[17] e Van Der Gast et al[22] consideram os FCs com alto nível de contaminação. Esse nível de contaminação pode tê-los degradado a ponto de terem suas propriedades lubrificantes afetadas, e alterado alguns sinais de forças nas condições a baixas velocidades de corte.

 

Acabamento superficial

A figura 4 apresenta os valores das médias das rugosidades (Ra) dos processos, utilizando os FCN-A, FCC-A, FCN-B e FCC-B em abundância para as duas velocidades de corte (125 e 250 m/min) e os dois avanços (0,1 e 0,16 mm/rot).


Figura 4 – Valores de rugosidade (Ra) em função do avanço (f) utilizando FCN-A, FCC-A, FCN-B e FCC-B com ap = 1 mm; z = 13,6 L; vc = 125 m/min (a); vc = 250 m/min (b); vc = 125 m/min (c); e vc = 250 m/min (d)
 

Segundo Santos e Sales[16], a velocidade de corte está diretamente ligada à atuação do fluido no processo de usinagem. De acordo com Machado et al[8], a baixa velocidade de corte, os fluidos tendem a agir como lubrificantes, reduzindo o atrito e a área de contato ferramenta/cavaco. Deste modo, dependendo das condições de corte, espera-se que a lubrificação da interface ferramenta-cavaco facilite a remoção de cavaco, diminuindo as forças de usinagem que, por sua vez, tendem diminuir as vibrações resultantes do processo no momento do corte, melhorando o acabamento superficial da peça.

Os valores de rugosidade das figuras 3a e 3c apontam que os FCC-A e FCC-B, quando aplicados no processo com vc = 125 m/min e f = 0,16 mm/rot, apresentaram piores acabamentos, isto é, maiores valores de Ra em relação aos processos utilizando FCN-A e FCN-B. Isso pode ter acontecido devido ao aumento da força de corte (figura 3a) e de avanço (figura 3c). É provável que, com a perda da lubricidade (causada pelo ataque bacteriano nos FCs), as forças (Fc e Ff) aumentaram, causando maior vibração do sistema, o que afetou a qualidade do acabamento da peça, aumentando o parâmetro de rugosidade avaliado (Ra).

 

Avaliação do pH

Os valores médios do pH dos FCN-A, FCN-B, FCC-A e FCC-B foram medidos com o pHmetro portátil digital (ION). A tabela 3 mostra a média e desvio padrão (DP) do pH dos FCs avaliados.

Os resultados desses testes (tabela 3) mostraram que, após um mês de inoculação seriada a cada 72 hs, os dois fluidos de corte (A e B) apresentaram alterações nos valores médios do pH após a contaminação.

A queda do pH está diretamente relacionada ao crescimento e proliferação dos microrganismos nos FCs. Segundo Muniz[11], a alteração do pH é um forte indicativo do nível de ataque de bactérias presente nos FCs emulsionáveis. De acordo com Santos e Sales[16] , Lima[7] e Takahashi[18], no decorrer de seu metabolismo, esses microrganismos produzem subprodutos como, por exemplo, ácidos orgânicos que diminuem o pH e degradam o fluido.

Rossmoore e Rossmoore[14] citam que a mudança química dos FCs, causada pela contaminação bacteriana, está correlacionada com sua perda de função, particularmente nos casos dos fluidos emulsionáveis, nos quais os hidrocarbonetos são degradados. Assim, essa atividade microbiana pode causar a perda da lubricidade do FC.

O pH é o principal indicador para avaliação do fluido[9]. Para Runge e Duarte[15], o valor satisfatório do pH de uma emulsão para uso é acima de 8,7. Os autores ainda citam que, com valor entre 7,8 e 8,7; é exigida a adição de biocidas para controlar o grau de contaminação e correção de pH com agentes alcalinizantes.

O FCC-B apresentou a maior queda do pH em relação ao FCN-B. Seu valor médio está entre o intervalo crítico citado por Runge e Duarte[15], isto é, entre 7,8 e 8,7. Na realidade, está mais próximo do limite inferior deste intervalo. Curiosamente, o desempenho dos FCC-B nos ensaios de usinabilidade com baixa velocidade de corte (125 m/min), nos quais o fluido tende a exercer suas funções lubrificantes, apresentou diferenças entre os parâmetros avaliados quando comparado ao FCN-B, tais como: aumento da força de avanço, conforme figura 3c. Já o FCC-A apresentou o pH médio igual a 8,88. Segundo Runge e Duarte[15], esse valor está em nível satisfatório de uso.

No entanto, os ensaios de usinabilidade (a alta e baixa velocidade de corte), mostraram que houve pequena diferença entre as forças de usinagem. Resumindo, os FCC-B apresentaram piores índices nesses ensaios em relação ao FCN-B, principalmente a baixas velocidades de corte, quando é exigido um bom poder lubrificante dos FCs.

 

Conclusão

As principais conclusões desse trabalho serão apresentadas de forma sintética a seguir:

 

Referências

  1. ASTME 2275: Standard practice for evaluating water-miscible metalworking fluidbioresistance and antimicrobial pesticide performance.
  2. Burge, H. A.: Microbiology of metalworking fluids: pilot studies for a large scale exposure assessment experience. The Industrial Metalworking Environment: Assessment and Control. American Automobile Manufacturers Association, p. 234-240, Dearborn, MI, Estados Unidos, 1996.
  3. Capelletti, R. V.: Avaliação da atividade de biocidas em biofilmes formados a partir de fluido de corte utilizado na usinagem de metais. Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual de Campinas, 81 p., Campinas, SP, 2006.
  4. Diniz, A. E.; Marcondes, F. C.; Coppini N. L.: Tecnologia da Usinagem dos Materiais. Artliber Editora, 7a ed., 262 p., São Paulo, 2010.
  5. Ferraresi, D.: Fundamentos da Usinagem dos Metais. Editora Edgard Blücher Ltda, 751 p., São Paulo, SP, 1977.
  6. Hodgson, M. J.; Bracker, A.; Yang, C.: Hypersensitivity pneumonitis in a metal-working environment. American Journal of Industrial Medicine, v. 39, n° 6, p. 616-628, 2001.
  7. Lima, E.: A vida do fluido de corte pode aumentar dependendo da formulação. Revista Máquinas e Metais, Editora Aranda, ano 48, n° 560, p. 154, Set. 2012.
  8. Machado, A. R.; Abrão, A. M.; Coelho, R. T.; Silva, M. B.: Teoria da Usinagem dos Materiais. Editora Edgard Blucher, 2a ed, 397 p., São Paulo, SP, 2011.
  9. Marcelino, L. I. O.: Fluido de corte mineral emulsionável: monitoramento, análise da degradabilidade, reformulação e estratégias de aumento de tempo de vida no processo de retificação. Dissertação de Mestrado – Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, 128 p., Belo Horizonte, MG.
  10. Mattsby-baltzer, I.; Sandin, M.; Ahlstrom, B.; Allenmark, S.; Edebo, M.; Falsen, E.; Pedersen, K.; Rodin, N.; Thompson, R. A.; Edebo, L.: Microbial growth and accumulation in Industrial metal-working fluids. Applied and Environmental Microbiology 55, p. 2.681-2.689, 1989.
  11. Muniz, C. A. S.: Novas formulações de fluidos de corte: otimização, propriedades e recuperação do óleo usado. Tese (doutorado), 175 p., Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, RN, 2008.
  12. Rabenstein, A.; Koch, T.; Remesch, M.; Brinksmeier, E.; Kuever, J. A. N.: Microbial degradation of water miscible metal working fluids. International Biodeterioration and Biodegradation, v. 63, n° 8, p. 1.023-1.029, Alemanha, 2009.
  13. Rossmoore, H. W.: Microbiology of metalworking fluids: deterioration,disease and disposal. Journal of Society of Tribologists and Lubrication Engineers 51, p. 112-118, 1995.
  14. Rossmoore, L. A.; Rossmoore, H. W.: Metalworking fluid microbiology. Byers, editor. Metalworking fluids, Marcel Decker Inc.; p. 247-271, Nova York, 1994.
  15. Runge, P. R. F.; Duarte, G. N.: Lubrificantes nas indústrias. Fluidos de corte, Triboncept, cap. 4, p. 71-172, Cotia, 1990.
  16. Santos, S. C; Sales, W. F.: Aspectos tribológicos da usinagem dos materiais. 1a ed., Artliber Editora, 246 p., São Paulo, 2007.
  17. Sloyer, J. L.; Novitsky, T. J.: Rapid bacterial counts in metal working fluids. The Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 29, p. 323-324, 2002.
  18. Takahashi, D. F.: Nova metodologia para otimizar biocidas em fluido de corte. Revista Máquinas e Metais, no 557, p. 98-115, jun. 2012.
  19. Tânio, F.: Usinagem sem refrigeração. Revista Usinagem Tech, São Paulo, no 7, jan/fev/ mar. 2012. Disponível em: <http://www.calameo.com/read/0006322558f51dbf613c8>. Acesso em: 02 out. 2013.
  20. Thomé, R.; Bianchi, E. C.; Arruda, O. S.; Aguiar, P. R.: Estudo microbiológico das micobactérias e fungos contaminantes dos fluidos de corte. In: 6° Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica. 6, out. 2007, Cusco, Peru.
  21. Trent, E. M.; Wright, P. K.: Metal cutting. 4a ed., Boston, EUA, Butterworth/Heinemann, 446 p., Oxford, 2000.
  22. Van Der Gast, C. J.; Whiteley, A. S.; Lilley, A. K.; Knowles, C. J.; Thompson, I. P.: Bacterial community structure and function in a metalworking fluid. Environmental Microbiology 5, p. 453-461, 2003.

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