De acordo com um princípio universal de conservação de energia, o calor e a temperatura observados na usinagem são uma consequência da transformação da energia mecânica, que outrora era energia elétrica. Parte dessa energia é dissipada em forma de calor, enquanto o restante será convertido em deformações elásticas e plásticas em todo o sistema de usinagem, além de ruídos e outros fenômenos dinâmicos. Logo, a quantidade de energia se conserva em um sistema fechado e isolado, que não configura o processo de torneamento cilíndrico realizado neste estudo entre os instantes de observação do processo de remoção. O axioma da conservação de energia é válido parcialmente para o sistema de usinagem estudado até que ocorra a degradação completa do estado metaestável de equilíbrio, e as temperaturas observadas antes e após o processo sejam as mesmas, sem considerar a perda de massa inevitável do sistema, pois a peça se torna cavaco e a ferramenta desgasta.

O estudo da termologia, termodinâmica e dos mecanismos de transferência de calor podem ser aplicados na usinagem com a devida consideração e justificativa das hipóteses que simplificam ou não a modelagem do sistema. Assim, os resultados observados neste estudo, dentro da prática didática de manufatura por usinagem, são fundamentais para realizar um conjunto orientado de questões para os alunos, que recebem diversos axiomas relacionados à temperatura e ao calor ao longo de aulas teóricas e expositivas. Com base nesses fatores, consolida-se a validade de realizar um plano científico de investigação que permita ampliar a cognição relacionada ao tema do calor e da temperatura em usinagem.

 

Fundamentação teórica axiomática

Os temas abordados a seguir podem ser considerados como fundamentais para entendimento dos axiomas associados à temperatura e ao calor habitualmente considerados na usinagem. Muitos autores apenas citam de maneira qualitativa importantes tópicos associados à temperatura, ou seja, divulgam tais axiomas, pois supõem a tendência do resultado experimental com base em experimentação prévia ou racionalismo. Assim, procurou-se com esse estudo avaliar esses axiomas, justificando os mesmos pela relação entre a parte experimental e a fundamentação teórica, inclusive para resultados controversos, que merecem uma justificativa ou uma abordagem mais profunda no plano experimental e teórico.

 

O sistema termodinâmico da usinagem em torneamento cilíndrico

No torneamento cilíndrico externo realizado em um torno mecânico (figura 1) é possível considerar este sistema termodinâmico com uma configuração que envolva desde o ambiente onde se encontra a máquina até a temperatura final do cavaco após o completo resfriamento. Este sistema seria naturalmente aberto e com um grande número de variáveis em regime transitório, que impossibilitam assumir hipóteses simplificadoras habituais como a de um regime permanente de transferência de calor e massa, além da consideração unidimensional da dissipação do calor.

 

Figura 1 – Arranjo físico e energético da usinagem em torneamento.

Um sistema simplificado de usinagem constituído apenas dos elementos peça, ferramenta de corte e cavaco simplificam o estudo da geração e transferência de calor, uma vez que são conhecidas, mesmo que de maneira axiomática, as condições de geração, governadas pelo atrito externo de deslizamento nas interfaces rígidas e pseudo rígidas, além de deformações por cisalhamento combinado na zona primária e secundária. Esse sistema simplificado está dentro da primeira fronteira.

A segunda fronteira contempla o sistema de fixação da peça e da ferramenta, que inevitavelmente recebem a energia térmica que flui a partir da região de corte durante e após o trabalho realizado (figura 1). Uma terceira fronteira sugerida como o maior volume de controle, que contempla a máquina e todos os elementos eletromecânicos que trocam calor com os elementos internos, ou seja, aqueles dentro da primeira fronteira. Diversos autores apresentam o balanço da geração e da dissipação de maneira semi quantitativa, e isso se justifica, pois cada combinação entre velocidade de corte, avanço por volta e profundidade de corte implicará em uma condição distinta do calor gerado e dissipado. Sob baixas velocidades de usinagem a geração do calor tem maior responsabilidade pela deformação interna até ocorrer o corte e a separação, enquanto sob altas velocidades a maior responsabilidade está sob o atrito superficial. Essa mudança de responsabilidade na geração pode ser tratada como um axioma, uma vez que não há valores específicos demonstrados que justifiquem plenamente sua aceitação ⁽⁷⁾.

 

Balanço energético, perdas e degradação energética.

Pode-se deduzir de maneira axiomática (figura 1) que o balanço energético será dado pela equação 1. Em outros estudos ^(5,11) foi considerado que a dissipação do calor ocorre pelo cavaco, pela peça e pela ferramenta, além do ambiente. Entretanto, na literatura ^(4,6) há abordagens que não consideram o meio ambiente como um elemento de dissipação, mas sim um sorvedouro a jusante, ao passo que outro estudo apresenta com pleno detalhamento o balanço energético que ocorre na usinagem ainda no equilíbrio do trabalho que antecede o calor ⁽⁸⁾.

 

 

A partir dos fundamentos da primeira e da segunda lei da termodinâmica, o trabalho de corte se transforma em calor com os devidos equivalentes de transformação. Ainda de acordo com a literatura, considera-se que aproximadamente 90% do trabalho se torna calor, e que a parcela que não se torna calor será uma perda energética ⁽⁵⁾, enquanto em outro estudo foi considerado que praticamente todo trabalho se torna calor ⁽⁸⁾. Uma vez conhecido o calor, e sabendo que existe uma parcela de perda, o trabalho real será ligeiramente menor que o trabalho ideal. Essa leitura reversa é importante, pois de maneira axiomática, realizar o balanço energético a partir do calor para que se defina outras grandezas como a força ou a potência envolvida na usinagem, deve-se sempre considerar que nem todo calor lido no processo era trabalho mecânico.

Outras considerações sobre perdas eletromecânicas justificam que o trabalho total da usinagem é ligeiramente menor que o trabalho eletromotriz na máquina. Assim, sugere-se com a equação 1 o balanço de energia térmica com base na primeira Lei da Termodinâmica, com as nomenclaturas propostas na literatura ^(6,8).

 

Onde: Q é o calor total gerado no processo de usinagem; W é a quantidade de trabalho total aplicado que será convertido em trabalho de corte; e ΔE é a variação de energia interna com aproveitamento ou não no mecanismo de formação do cavaco.

Do desmembramento dos termos Q e W, e considerando a degradação energética seguida da variação de entropia além da aplicação do equivalente térmico do trabalho mecânico, o equilíbrio do calor será:

 

 

Onde: Qdtvep-m é o calor resultante do trabalho das deformações termo visco elastoplásticas conjuntamente com o movimento interno de discordâncias que configuram a deformação em escala microestrutural; 

Qsf é o calor devido ao atrito superficial na interface entre o dorso do cavaco e a superfície de saída da ferramenta; Qss é o calor devido ao atrito entre a superfície de folga ou incidência da ferramenta e a peça usinada;

Qc é o calor dissipado através das fronteiras pelo cavaco;

Qp é o calor dissipado através das fronteiras pela peça; e Qf é o calor dissipado através das fronteiras pela ferramenta.

Logo, o calor é gerado na exclusiva região de contato entre ferramenta e peça, nas interfaces submetidas à tensão compressiva seguida de deslizamento conjuntamente com as zonas de cisalhamento primário e secundário. Diversos autores estimam qual é a quantidade percentual de calor Qc , Qp e Qf a partir de experiências com combinações particulares de parâmetros de corte. De maneira axiomática, diversos autores também concordam que Qc é maior que Qp que será maior que Qf e assumem valores percentuais generalistas para esta relação. Em um estudo abordado na literatura ⁽⁵⁾, por exemplo, considera-se que 90% do calor gerado se tornará o trabalho total do corte, mas não é explicado como ocorre a degradação energética que pode ser atribuída à variação de energia interna.

Um fato que merece uma citação axiomática é que o trabalho eletromecânico que atravessa as três fronteiras não tem como objetivo gerar calor. Entretanto, o calor é inevitável como consequência do atrito e da deformação. Logo, há uma relação direta entre trabalho e calor, e este último é uma consequência que novamente implica em degradação e mudança interna do nível energético. Ademais, um segundo axioma relacionado ao nível entrópico da variação de energia não perfaz a ideia de ciclo, pois o metal não é substância e a perda de massa é irreversível.

 

Técnicas de medição de temperatura e estimativa do calor no sistema de usinagem

As principais técnicas acessíveis para a medição de temperatura são: termometria de contato, pirometria a laser, termografia e calorimetria. A termometria de contato consiste no uso de instrumentos que medem a temperatura pelo contato direto com o corpo a ser avaliado (junta de medida). Termômetros de bulbo seco e termopares são os principais tipos de dispositivos usados neste método. Apesar da abrangência do termo, a termometria é aplicada onde o contato é possível sem ocorrer dano no instrumento e quando os efeitos da irradiação não são relevantes.

A pirometria é a técnica de aplicação de pirômetrosóticos para uso em altas temperaturas e em locais de difícil acesso, já que medem a radiação infravermelha emitida pelo corpo sem contato direto. Suas limitações se referem a interferências que podem ser causadas pela emissividade das superfícies a serem avaliadas, como é o caso de materiais metálicos. A termografia usa o princípio de radiação infravermelha para medir a temperatura, mas apresenta a leitura pela correlação da densidade de irradiação em forma de imagem, para proporcionar uma leitura da temperatura sobre toda a superfície avaliada. A calorimetria é uma técnica de medição de temperatura baseada no balanço de energia em um reservatório do tipo calorímetro, técnica que envolve a medição da temperatura de dois corpos antes e depois de atingirem equilíbrio térmico. A tabela 1 mostra um resumo da aplicação das técnicas de medição de temperatura com seus respectivos instrumentos, limitações e vantagens. A investigação da temperatura da usinagem deve sempre considerar que o processo é dinâmico e que a temperatura efetiva em qualquer elemento ou dentro de qualquer fronteira (figura 1) também será. Logo, a medição da temperatura, para a condição simples de parar o processo e medir, deverá considerar o tempo no qual a medição se realiza, uma vez que naturalmente a geração cessa e a dissipação permanece. A todo instante a geração e a dissipação ocorrem, mas somente quando o processo é interrompido é possível aplicar as técnicas de medição com razoável precisão. Assim, a dissipação ocorre sem influência simultânea da geração, e ao se avaliar a energia térmica e seu fluxo, o tempo entre o final da geração e o máximo valor na dissipação deve ser medido, pois este tempo justifica a hipótese de inércia térmica mesmo sem a geração simultânea.

 

 

A formação de axiomas e hipóteses simplificadoras associadas ao calor em usinagem

Sugere-se que a formação de um axioma pressupõe uma abordagem indutiva ou dedutiva, ambas associadas à prática experimental. Por outro lado, a abordagem racionalista também pode ser um método de abordagem do conhecimento para formar axiomas. Ao possuir resultados experimentais que envolvam calor e temperatura, a formação do axioma possui a fundamentação e justificativa direta, porém este axioma pode ser restrito e apresentar validade para um conjunto específico de parâmetros tecnológicos para a realização do corte. Dessa maneira, apesar de um axioma ser uma lei geral que dispensa comprovação e por si só é completa para sua justificativa, este axioma é restrito.

Os axiomas associados à temperatura e ao calor em usinagem se baseiam em fenômenos relacionados ao atrito e à deformação na zona de corte, e respeitam definições oriundas da termodinâmica clássica, como a ideia de fronteira, sistema e regime de transmissão. Ao buscar uma tentativa de convergência entre os valores de geração e dissipação do calor na literatura, além dos valores médios da temperatura, não há uma convergência. Entretanto, os axiomas não quantitativos que indicam um comportamento sem restringir uma faixa de valores de calor ou temperatura podem ser tomados como similares entre diversos estudos. Na literatura ⁽⁵⁾ são apresentados quatro axiomas associados ao calor e à temperatura como forma de conclusão da abordagem sobre a temperatura.

A partir do entendimento dos elementos que geram e que dissipam calor na usinagem, diversas hipóteses simplificadoras podem ser sugeridas. Porém, essas não podem contradizer os axiomas, pois isso invalidaria a abordagem axiomática quando a hipótese não sustenta o axioma que a antecede. Em resumo, o axioma é o conhecimento prévio que auxilia na possibilidade de assumir hipóteses simplificadoras. Na literatura, um conjunto de equações que relacionam a temperatura obtida na usinagem com a velocidade de corte, a partir de observações experimentais, são apresentadas de forma exponencial ^(1,2).

 

A metodologia ativa baseada em projetos no ensino do calor e temperatura em usinagem

O objetivo da aplicação de metodologias ativas no ensino de usinagem é uma possibilidade de engajar os alunos no âmbito de participar de uma prática científica teórica e experimental. Atualmente, os cursos universitários e técnicos oferecem cada vez menos carga horária. Entretanto, a mediação da prática metodológica ativa deve ser feita pelo professor, com ou sem o auxílio de pessoal técnico. Logo, a execução experimental é feita pelo professor, que assim executa aquilo que os alunos especificam após a investigação incitada previamente.

Não há uma exposição completa do conteúdo, mas somente uma breve exposição de alguns tópicos relacionados ao objetivo do estudo, pois o interesse é enunciar um problema ou um objetivo e os alunos deverão preparar e organizar como o estudo será feito.

Uma sugestão que inicia o método ativo da relação ensino-aprendizado ativo, no caso do estudo do calor e da temperatura será: Como se desenvolve a temperatura e o fluxo de calor na usinagem? O debate em torno do tema é uma consequência da realização da prática experimental com o engajamento dos alunos após o professor auxiliar na execução e arguição deles em relação à prática experimental. De acordo com a literatura ⁽¹⁰⁾, para que os alunos se tornem proativos, é preciso envolvê-los em atividades cada vez mais complexas, de modo que tomem decisões e avaliem os resultados com apoio de materiais relevantes. Para estimular a criatividade, os alunos precisam experimentar inúmeras novas possibilidades de demonstrar sua iniciativa.

A aprendizagem baseada em projetos, bem como em problemas, constitui estratégias que passam a requerer muito mais empenho dos alunos e dos professores. Isso porque o professor deve mudar sua postura de um simples expositor conteudista para a posição de um orientador de aprendizagem ativa, enquanto os estudantes devem assumir maior protagonismo no seu processo de desenvolvimento, adquirindo maior conhecimento de forma autônoma do que apenas por informações de terceiros ⁽⁹⁾.

A abordagem holística sobre calor e temperatura na usinagem, pela observação experimental para posterior discussão de axiomas, se enquadra nesse modelo, já que cabe ao professor a exposição de uma situação problema conhecida, acompanhada do estímulo a uma investigação prática e multidisciplinar por parte dos alunos a respeito dos fenômenos de transferência de calor em usinagem e das implicações das diversas variações possíveis neste processo. Assim, os alunos experimentam conceitos teóricos em aplicações práticas, compreendem métodos de medição, aferição e interpretação de resultados, e buscam informações relevantes em contextos externos para a construção colaborativa nas interações em sala de aula.

O professor detentor inicial do conhecimento avalia continuamente os alunos ao longo da execução experimental e propõe o debate, que deve considerar aspectos de como realizar a prática experimental e a qualidade das medições da temperatura.

 

Procedimento experimental

Com objetivo de investigar a temperatura e o calor em usinagem, dentro de uma abordagem holística associada à metodologia ativa baseada em problemas, a primeira atividade a ser realizada é a apresentação do problema e exposição breve dos tópicos relacionados ao tema que são fundamentais para o início da investigação dos alunos, antes do plano experimental ser executado. O problema exposto: Como se desenvolve e como medir as temperaturas envolvidas nos elementos presentes no sistema de usinagem? Uma vez declarado o problema, foram realizadas duas etapas experimentais que permitiram medir a temperatura dentro da metodologia ativa. As medições realizadas nas duas etapas experimentais foram: a) calorimetria para medição (estimativa) do calor e temperatura no cavaco; b) pirometria para medição da temperatura da ferramenta de corte; c) termografia para medição da temperatura da peça; e d) análise do fluxo do calor para medição da temperatura no núcleo da peça.

 

Materiais

As etapas experimentais foram realizadas com torno paralelo universal mecânico Nardini Nodus 20; corpo de prova de barra cilíndrica laminada de SAE 4340, com dureza de 220 HB, diâmetro inicial de 67 mm e comprimento de 300 mm, com furação de centragem na extremidade de apoio na contraponta rotativa. Uma variação do corpo de prova foi usada na análise do fluxo do calor com a realização de um furo de 4 mm de diâmetro por 48 mm de profundidade na extremidade de apoio da contra ponta (figura 2). As propriedades físico químicas do aço consideradas são: densidade de 7,85 Kg/m3 e calor específico à pressão constante de 0,1cal/kg°C para água e 475 J/kg°C para o aço. A constante K do aço é 44,5 W/m°C.

 

Figura 2 – Corpo de prova para a medição do fluxo de calor para o interior da peça.

 

A fixação do corpo de prova foi feita com placa mecânica de três castanhas e contraponta rotativa. A ferramenta de corte utilizada contava com suporte PCLNR 2020 e pastilha de metal duro CNMG 120408 PM 4025 da Sandvik. Também foi utilizado um calorímetro aberto de 600 ml, termômetro de mercúrio 0 ~ 105°C, câmera termográfica Megabras modelo EasIR-2 -20 ~ 250°C p = +/- 2°C, paquímetro quadrimensional 0~150 mm, balança digital 0~5kg p = 1g, pirômetro laser modelo Lasergrip GM400 -50~400C p = 0,1°C, multímetro digital Minipa modelo ET-1400 equipado com termopar tipo K -40~150 °C p = 1°C e escala metálica graduada 0~400 mm. Não houve calibração específica dos instrumentos de medição, e aqueles usados para medir a temperatura apresentaram aderência do valor entre os mesmos.

 

Procedimento experimental

O procedimento experimental foi realizado em duas etapas. Na primeira etapa foi executado o torneamento cilíndrico externo em corte contínuo para realização das medições a), b) e c). O torneamento foi realizado com a captação do cavaco no calorímetro. A massa de água e a massa de cavaco somada à água foram medidas com a balança digital, além da massa da peça antes e após a usinagem. As temperaturas da água foram medidas com o termômetro e com o termopar. A temperatura da superfície da peça foi medida com a câmera termográfica e a temperatura da superfície da ferramenta foi medida com o pirômetro. Foram aplicados seis níveis de velocidade de corte. O avanço foi mantido em 0,25 mm/volta e a profundidade de corte em 1,5 mm. O comprimento de corte foi estabelecido em 65 mm. A cada etapa a peça era resfriada em água em fluxo. A medição da temperatura de equilíbrio não contabilizou o tempo até o equilíbrio.

A segunda etapa consistiu no torneamento cilíndrico externo em corte contínuo para realização da medição d). O torneamento foi realizado no corpo de prova (figura 2). A temperatura da superfície da peça foi medida com o pirômetro e com a câmera termográfica. A temperatura do núcleo da peça foi medida com o termopar. A posição de contato do termopar no interior do furo foi à 24 mm de profundidade a partir da superfície, ou seja, na metade do furo. O tempo entre o fim da usinagem e a leitura do valor máximo da temperatura lida no indicado do termopar foi feita com cronômetro. A cada etapa a peça era resfriada em água e o furo devidamente desumidificado.

Em ambas as etapas experimentais, as alterações da velocidade de corte foram aleatórias. Não foram feitas réplicas exatamente desses resultados, uma vez que são resultados obtidos em experimentos de sala de aula, e que devido à sua duração, mas principalmente ao seu objetivo didático, a variância e demais parâmetros estatísticos que obrigatoriamente devem ser calculados são dispensados e isso deve ser sempre apresentado aos alunos como uma condição particular da metodologia ativa desse estudo.

 

Resultados e discussão

Medição e estimativa da temperatura do cavaco

A tabela 2 e a figura 3 mostram o resultado da temperatura calculada do cavaco a partir do balanço energético, conforme técnica de medição proposta na literatura ^(5,6). A técnica de medição da temperatura pelo balanço energético no calorímetro, apesar de apresentar significativas fontes de erro de execução, demonstrou um ponto de importante utilidade para o ensino da execução experimental que é a necessidade de colher a maior quantidade possível de cavaco. Sugere-se que a massa de cavaco e de água sejam idênticas. Entretanto, devido à condição dinâmica, isso nem sempre é possível, inclusive pela própria limitação física para inserir o calorímetro no interior da máquina.

Para os ensaios realizados, a máxima velocidade de corte de 192,77 m/min apresentou uma ligeira diminuição da temperatura. Isso se justifica pela menor quantidade colhida de cavaco. É possível perceber que dentro da faixa de velocidades observadas, a variação das temperaturas em torno da média de 292, 8°C está abaixo de 5%. Uma vez que a média da temperatura está dentro de uma faixa estreita de variação na faixa de velocidade de corte de 51,84 até 192,77 m/min, três hipóteses sugerem a justificativa, sendo a primeira que há relação direta entre massa de cavaco colhida e o aumento da temperatura até o equilíbrio. A segunda, de maneira a contradizer um axioma proposto na literatura ⁽⁵⁾, sob velocidades mais altas, o tempo em que ocorre o atrito e a quantidade de recalque proporcionado pela influência da força de avanço é menor, e assim, menos calor foi gerado. Uma terceira, porém, com menos chance de validade, é a ativação térmica do revestimento, que sob velocidades mais altas, no caso do óxido de alumínio, alguma transformação termoquímica ocorre e por conseguinte menor coeficiente de atrito, fato que justifica a menor temperatura do cavaco sob temperaturas mais altas, também contradizendo o que foi proposto na literatura mencionada anteriormente, pois sob maiores velocidades a maior influência na geração do calor é o atrito.

Figura 3 – Temperatura estimada no cavaco a partir da técnica do calorímetro

 

Apesar de não ter ocorrido um estudo morfológico do cavaco, em todas as velocidades de corte o cavaco removido apresentou forma e tonalidade média que não implica em nenhuma estratégia para sua boa formação, porém sob velocidades baixas, o acabamento é qualitativamente pior. É válido lembrar que ao aumentar a velocidade de corte, a velocidade de saída do cavaco também aumenta, bem como a velocidade do cisalhamento. Este último axioma, oriundo do estudo do diagrama de velocidades, deve ser sugerido como elemento de justificativa do trecho estável (figura 3), sob velocidades abaixo de 143,73 m/min.

 

Medição da temperatura da superfície de saída da ferramenta de corte

A tabela 3 e a figura 4 mostram o resultado da medição de temperatura com o pirômetro na superfície da ferramenta imediatamente após cessar a usinagem, sem a interferência de cavaco. A temperatura da superfície da ferramenta é condicionada fundamentalmente pelo atrito de deslizamento com o dorso do cavaco. Ao elevar a velocidade de corte e manter o avanço, foi perceptível a estabilidade da curvatura e forma média do cavaco, que teve sua velocidade aumentada em uma proporção entre mínimo e máximo de 3,71 vezes. Sob baixas velocidades foi possível perceber um acabamento significativamente pior, porém a forma do cavaco permaneceu estável.

A justificativa do decaimento da temperatura está relacionada à maior velocidade do fluxo do cavaco e o melhor desempenho no corte quando, de maneira axiomática, pode-se afirmar que a força de avanço tem menor responsabilidade na energia de deformação, ou seja, quando a velocidade de corte é mais alta. E com uma formação do cavaco mais adequada, com menos “arrancamento” e mais fluidez no corte, sugere-se de maneira axiomática menor tensão compressiva pela melhoria do fluxo, logo, menos calor flui para o interior da ferramenta, e com isso, menor temperatura foi lida na superfície logo após cessar o corte. A inflexão entre 120,64 e 143,73 m/min merece investigação que não invalida a justificativa de diminuição do tempo e da quantidade dimensional de recalque que justificam a menor temperatura medida.

 

Figura 4 – Temperatura da superfície de saída da ferramenta.

 

Medição da temperatura da peça e estimativa do fluxo de calor

Para a medição da temperatura na superfície da peça foi aplicada a termografia junto com pirometria imediatamente após cessar o corte, ambas na superfície externa recém-usinada. Para medir a temperatura no interior da peça, o procedimento experimental demandou uma posição fixa de inserção do termopar. Com isso, foi fixado um limitador de profundidade para que o mesmo sempre realizasse o contato com a mesma profundidade do furo, ou seja, a 24 mm da superfície, na metade do furo. Assim é possível aproximar a geometria da peça a um tubo de parede espessa. Além das temperaturas, o tempo no qual a máxima temperatura da parede interna do tubo atingida até sua inflexão foi medido. A inflexão é o instante em que ocorre inversão da taxa de variação da temperatura em função do tempo. Logo, conhecendo as temperaturas de superfície externa e interna, o tempo até ocorrer a inflexão, sugere-se que o regime de transferência de calor seja permanente após cessar a fonte, que é o corte, mesmo com inevitável dissipação para a região de fixação da peça na placa além da própria dissipação para o meio ambiente. Essa hipótese é garantida pela inércia térmica que a espessura do tubo de aço de parede espessa oferece.

Um importante fator desta modelagem é considerar que a fonte de calor, que é a região de corte, é uniforme em toda a circunferência na posição de medição das temperaturas externa e interna. Assim, o modelo usado foi a lei de Fourier para regime unidimensional em geometria cilíndrica, conforme visto na literatura ^(3,7).

 

 

A medição no centro do furo considera que a existência de dissipação na direção axial seja a mesma tanto para a região da contraponta como na região da placa de fixação da peça. O modelo de Fourier no regime unidimensional permite estimar o fluxo de calor e ao conhecer o tempo até a inflexão, é possível conhecer a quantidade de calor que fluiu para o interior da peça. É possível afirmar que uma vez mantida a rotação em 750 rpm, a velocidade de corte é menor à medida que o diâmetro usinado diminui (figura 5). Assim, a temperatura de inflexão se torna cada vez mais próxima da temperatura da superfície, pois há diminuição da espessura da parede. O calor dissipado para o interior da peça será menor, uma vez que de maneira axiomática, o valor do calor gerado será menor pela diminuição da velocidade de corte, mesmo com maior influência da deformação na zona primária de cisalhamento (figura 6) ⁽⁵⁾.

 

Figura 5 – Temperaturas da superfície e do núcleo da peça para modelagem do cilindro de parede espessa.

Figura 6 – Quantidade de calor transferido para o interior da peça, de acordo com o regime unidimensional de Fourier.

 

Foi observado que sob velocidades mais altas a temperatura de superfície é maior e que a temperatura interna é menor (figura 5). Isso se justifica pela maior espessura de parede, que oferecerá maior resistência para o fluxo. E com isso as temperaturas externas serão menores. Um trabalho numérico computacional de regressão indica uma equação exponencial para o calor dissipado para o interior da peça com R igual à 0,84, que a partir de variações inerentes ao sistema de usinagem e da multidisciplinaridade de uma modelagem holística, indica boa aderência da análise pelo regime unidimensional.

Conclusão

Este estudo abordou os fenômenos de transferência de calor em usinagem pela metodologia ativa baseada em problemas em um processo de torneamento cilíndrico, abordando a aplicação de diferentes técnicas de medição da temperatura, identificando principalmente suas limitações para o fenômeno dinâmico da usinagem. Também foi sugerido o desenvolvimento de um plano experimental factível para sala de aula com abordagem multidisciplinar, para que alunos contribuam ativamente com a execução experimental. Os temas aqui tratados envolveram ainda a aplicação de um modelo clássico de transferência de calor para estimar a quantidade de calor que flui para o interior de uma peça com geometria aproximada à um cilindro de parede espessa. Os axiomas propostos por diversos autores relacionados à temperatura e ao calor e o principal caso de discussão foi a temperatura da superfície de saída da ferramenta, pois com o aumento da velocidade de corte, de maneira axiomática seria sugerido aumento da velocidade do fluxo do cavaco sobre a superfície de saída, e com isso maior temperatura. Por outro lado, ao aumentar a velocidade de corte, o cavaco teve formação e fluxo melhorado, logo o calor por atrito foi menor, pois o tempo de compressão-recalque-escoamento foi menor.

Instrumentos simples de medição da temperatura podem ser aplicados para que se construa em sala de aula uma medida experimental semi quantitativa com validade superior à aceitação de axiomas. A metodologia ativa requer maior compromisso de preparação e mediação, incentivando ao engajamento e à discussão por parte dos alunos. É certo afirmar que o estudo oferece base prática e teórica robusta no ensino de usinagem em engenharia, proporcionando aos alunos a experiência de participar do processo de aprendizado de modo autônomo e multidisciplinar, enquanto o professor atua como mediador e orientador. A metodologia ativa é sustentada pela exploração de axiomas a respeito de calor em usinagem observados de forma experimental, colaborativa e abrangente.

 

Responsabilidade pelas informações

 

Os autores são os únicos responsáveis pelas informações incluídas neste trabalho.

 

Referências

1) Chao, B.,T., Trigger, K.J., Trigger. “An analytical evaluation of metal cutting temperatures”. Transactions of ASME, janeiro de 1951, pp.57~65. 

2) Chao, B.,T., Trigger, K.J., Trigger. “Cutting temperatures and metal-cutting phenomena”. Transactions of ASME, agosto de 1951, pp. 777~792. 

3) Çengel, Y. A., Ghajar, A. J., 2012. “Transferência de calor e massa: uma abordagem prática”, 4ª ed, pp. 154. 

4) De Luca Rodrigues, M.A. “Caminhos da usinagem”, 2015, Ed. Artliber, pp. 55. 

5) Ferraresi, D. “Fundamentos da usinagem dos metais”, 1977, Ed Edgard Blucher, 9a Edição, pp.140. 

6) Filho, M.S., [s.d.]. “Usinagem”, sem editora, pp. 102-105. 

7) Holman, J.P. “Transferência de calor”,1983, 1a ed, Cap.4. Ed.McGraw-hill, pp. 29-30. 

8) Machado, A. R., Abrão, M.A., Coelho, R.T., Silva, M.B., 2009. “Teoria da usinagem dos materiais”, 1ª Ed. pp. 113-155.

9) Masson, T.J., Miranda, L.F., Munhoz Jr, A.H., Castanheira, A.M.P., 2012. “Metodologia de ensino: Aprendizagem baseada em projetos (PBL)”, XL Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Belém-PA, Brasil. 

10) Moran, J., 2015. “Mudando a educação com metodologias ativas”, Coleção Mídias Contemporâneas: Convergências Midiáticas, Educação e Cidadania: aproximações jovens [Volume II], UEPG/ PROEX, 2015. Ponta Grossa-PR, Brasil, pp. 15-33. ISBN: 978-978-85-63023-14-8. 

11) Santos, S.C., Sales, W.F. “Aspectos tribológicos da usinagem dos materiais”, 2007, Ed. Artliber, pp. 80.