Há diversos processos e materiais disponíveis para lubrificação, refrigeração e remoção de cavacos em processos de usinagem executados pela indústria de manufatura. No entanto, em muitos casos, são aplicados nesses processos valores de pressão e vazão que impõem elevadas perdas do ponto de vista energético.

As consequências decorrentes da adoção de parâmetros inadequados ao processo, porém, não se resumem apenas às questões energéticas. Também ocorre aumento na quantidade consumida do fluido lubrificante/refrigerante propriamente dito, seja em função do arraste pela ferramenta ou peça em processamento ou pelos efeitos da evaporação. As quantidades de agente para refrigeração e lubrificação realmente requeridas por parte do processo na região de corte são desconhecidas ou então deduzidas somente a partir da experiência prática.

 

Parâmetros inadequados elevam as perdas

Figura 1 – Comercialização de lubrificantes na Alemanha de 2007 a 2010^[1]

A partir das consideráveis quantidades de fluido refrigerante usadas anualmente nos processos de usinagem, é possível constatar um grande potencial para a definição das estratégias de alimentação (figura 1). Em 2010 foram comercializadas na Alemanha 69.000 toneladas de fluidos para refrigeração e lubrificação. Esse valor é muito pequeno em relação ao volume comercializado de óleos para motores, mas esses dados se referem apenas a versões concentradas de agentes para refrigeração de lubrificação, os quais correspondem a uma proporção muito pequena do consumo final desses agentes, da ordem de 7%.

Para se corrigir estas distorções, o Laboratório de Máquinas-Ferramenta da Escola Superior Técnica de Aachen (WZL), na Alemanha, desenvolveu uma pesquisa detalhada sobre a estratégia de alimentação de fluidos refrigerantes. Este estudo mostrou que a conversão da refrigeração convencional por jorro em uma refrigeração configurada de maneira específica, confor me as reais necessidades do processo de usinagem, com ajuda de bocais posicionados sobre ferramentas ou suportes, proporciona numerosas vantagens. Conforme mostrado na figura 3, a alimentação do refrigerante pode ser feita diretamente de um suporte para ferramenta dotado de bocais e sem altos custos adicionais decorrentes de eventuais alterações feitas na máquina-ferramenta.

 

Lubrificação por jorro está obsoleta em muitos casos

A nova estratégia de alimentação tem como objetivo direcionar o fluido refrigerante para a região localizada entre o lado inferior do cavaco e a superfície de ataque da ferramenta, além de impor mais altas velocidades de saída do fluido. A partir daí surgem dois efeitos essenciais: por um lado, o jato de fluido lubrificante, em função de sua maior velocidade de saída, pode ser conduzido para regiões mais próximas da zona de corte e, dessa forma, proporcionar melhor refrigeração; por outro, o jato exerce força mecânica sobre o cavaco, a qual, além de melhorar a refrigeração, também facilita sua ruptura.

Além disso, em alguns casos específicos, a ductilidade do material cai em função da refrigeração mais intensa. Essa redução na conformabilidade e as solicitações mecânicas adicionais que atuam sobre os cavacos em função dessa nova estratégia de alimentação promovem sua ruptura e reduzem seus comprimentos.

Figura 2 – Alimentação do jato de fluido para refrigeração e lubrificação entre a face inferior do cavaco e a superfície de saída da ferramenta
 

A figura 2 mostra uma representação esquemática do fluxo do fluido refrigerante entre a superfície inferior do cavaco e a superfície de ataque, bem como a deficiente refrigeração por jorro convencional durante uma usinagem de canais.

 

Maior estabilidade do processo

Esta nova abordagem para alimentação basicamente proporciona maiores níveis de produtividade, mantendo ou até mesmo elevando a vida útil da ferramenta. Dessa forma, é possível alcançar maior estabilidade do processo sob os mesmos níveis de produtividade.

Além disso, são atingidos resultados semelhantes aos da usinagem com menores valores de pressão de alimentação de fluido. O emprego de um suporte onde são instalados os bocais para suprir o fluido permite reduzir a pressão de seu fluxo, sem que sejam necessárias alterações na máquina e mantendo-se o desempenho do processo de usinagem.

Figura 3 – Implementação da alimentação do fluido para refrigeração e lubrificação orientada ao processo utilizando um bocal instalado sobre o suporte da ferramenta
 

Ademais, frequentemente se consegue elevar a produtividade em função do aumento nas velocidades de corte. O potencial máximo é obtido ao se adotar essa abordagem de alimentação no caso de materiais de difícil usinabilidade ou que apresentem baixos valores de condutividade térmica, uma vez que esse tipo de suprimento propicia um melhor efeito de refrigeração. Também no caso de melhorias no processo, quando se utiliza a lubrificação para se elevar a sua estabilidade, essa nova abordagem proporciona vantagens em termos de vida útil da ferramenta e de consumo global do fluido lubrificante^[2].

Figura 4 – Comportamento da vazão volumétrica e da pressão hidráulica em função da pressão
 

A redução da pressão proporciona economia tanto do fluido como da energia. A figura 4 mostra a vazão de saída e a potência hidráulica em função da pressão da bomba para um dispositivo usado no suprimento de refrigerante existente no WZL. Trata-se de um grupo de alta pressão, que alcança 350 bar por meio do controle de frequência e que, simultaneamente, disponibiliza elevados valores de vazão.

Pode-se constatar nessa figura que a vazão se eleva cada vez menos sob valores crescentes de pressão, enquanto que a potência hidráulica permanece crescendo de maneira exponencial. A potência hidráulica é disponibilizada pelo sistema de acionamento das bombas que, por sua vez, apresenta determinado grau de rendimento.

 

Menores valores de pressão e vazão volumétrica

A potência real da bomba é maior do que a evolução mostrada no gráfico da figura 4. Por tanto, quando se objetiva uma combinação de pressão e vazão volumétrica na região de baixas pressões, consegue-se reduções significativas no consumo de energia. O dimensionamento do suprimento que for feito de forma a requerer maiores vazões, não só requer pressões mais elevadas nas bombas, como também influencia consideravelmente, e de forma negativa, o balanço energético da aplicação.

 

Projeto para investigar operações de furação

Foi iniciado um novo projeto de pesquisa, utilizando uma máquina-fer ramenta do laboratório, para se investigar o potencial deste tipo de suprimento orientado ao processo de furação. Este trabalho, que conta com participação da indústria, tem como objetivo determinar os valores necessários de pressão e vazão volumétrica a serem usados no suprimento de fluido para refrigeração e lubrificação na usinagem de furos.

Uma vez que, nas operações de furação – sobretudo de furos cegos –, há critérios totalmente incompatíveis que possuem grande significado, tais como a remoção dos cavacos ou a minimização da temperatura de usinagem para reduzir o desgaste da ferramenta, quando frequentemente são adotados altos valores de pressão e de vazão.

Nessas operações é muito difícil implantar um suprimento de fluido específico; portanto, a seleção da bomba é decisiva para se conseguir alta eficiência no consumo de energia e de recursos durante sua operação. Sobretudo sob pressões superiores a 50 bar, quando ocorre aumento nos requisitos da potência necessária para o suprimento, atingindo a mesma ordem de grandeza da potência absorvida por toda a máquina-ferramenta.

Este projeto manteve seu foco par ticular mente na usinagem usando brocas com pastilha de corte intercambiável, pois dessa forma foi possível adotar uma configuração experimental que garantisse fácil acesso à instrumentação. Assim, foi sobretudo viabilizada a medição de temperaturas nos pontos mais próximos possíveis da zona de corte.

O projeto foi executado prevendo-se níveis de pressão de até 70 bar e o menor valor possível de vazão volumétrica e de pressão a serem adotados no suprimento de fluido refrigerante, sem, contudo, ameaçar a segurança do processo. Essas condições promovem considerável economia no consumo de fluido para refrigeração e lubrificação, bem como da energia elétrica requerida pelas bombas.

A pesquisa deverá esclarecer se o uso de menores pressões no suprimento do fluido refrigerante influencia negativamente os resultados da usinagem e se, a princípio, é possível elevar a eficiência energética em função dos parâmetros modificados associados a esse suprimento. Os projetos IGF 17.178B e IGF 17927N do Instituto de Pesquisa da Associação das Fábricas Alemãs de Máquinas-Fer ramenta (VDW) foram apoiados pela Associação dos Grupos de Trabalho em Pesquisa Industrial, por meio da Associação Industrial de Pesquisa e Desenvolvimento do Ministério Federal Alemão para Economia e Tecnologia (BWT) com base numa resolução do Parlamento Alemão.

 

Referências

1. Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle: Amtliche Mineralöldaten für die Bundesrepublik Deutschland. Disponível em: <http://www.bafa.de/bafa/de/energie/mineraloel/amtliche_mineraloeldaten/index.html>. Último acesso em: 01/02/2012.
2. Klocke, F.; Lung, D.; Sangermann, H.; Cayli, T.: Steigerung der Produktivität und Prozesssicherheit bei der Drehbearbeitung von Stählen durch den energieeffizienten Einsatz der Hochdruck-Kühlschmierstoff-Zufuhr “ProHoKühl”. Abschlussbericht zum Forschungsprojekt IGF17178 N: WZL der RWTH Aachen, 2013.