TorneamentoaAo-ferramenta-Fernandes-2019

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
TORNEAMENTO DO AÇO-FERRAMENTA AISI D6 
TEMPERADO E REVENIDO NAS CONDIÇÕES 
SECO, JORRO E LN2: UMA ANÁLISE TÉCNICO-
ECONÔMICA 
MATHEUS EMMANUEL PEREIRA FERNANDES 
NATAL- RN, 2019 
 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
TORNEAMENTO DO AÇO-FERRAMENTA AISI D6 
TEMPERADO E REVENIDO NAS CONDIÇÕES 
SECO, JORRO E LN2: UMA ANÁLISE TÉCNICO-
ECONÔMICA 
MATHEUS EMMANUEL PEREIRA FERNANDES 
 Dissertação apresentada ao Programa 
de Pós-Graduação em Engenharia 
Mecânica (PPGEM) da Universidade 
Federal do Rio Grande do Norte como 
parte dos requisitos para a obtenção do 
título de MESTRE EM ENGENHARIA 
MECÂNICA, orientado pelo Prof. Dr. 
Anderson Clayton Alves de Melo e 
coorientado pelo Prof. Dr. Nicolau 
Apoena Castro. 
NATAL - RN 
2019 
Fernandes, Matheus Emmanuel Pereira.
 Torneamento do aço-ferramenta AISI D6 temperado e revenido
nas condições seco, jorro e LN2: uma análise técnico-econômica /
Matheus Emmanuel Pereira Fernandes. - 2019.
 104f.: il.
 Dissertação (Mestrado)-Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós Graduação em
Engenharia Mecânica, Natal, 2019.
 Orientador: Dr. Anderson Clayton Alves de Melo.
 Coorientador: Dr. Nicolau Apoena Castro.
 1. Manufatura sustentável - Dissertação. 2. Usinagem
criogênica - Dissertação. 3. Aço-ferramenta AISI D6 -
Dissertação. 4. Torneamento duro - Dissertação. I. Melo,
Anderson Clayton Alves de. II. Castro, Nicolau Apoena. III.
Título.
RN/UF/BCZM CDU 621
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Elaborado por Raimundo Muniz de Oliveira - CRB-15/429
 
 
TORNEAMENTO DO AÇO-FERRAMENTA AISI D6 
TEMPERADO E REVENIDO NAS CONDIÇÕES SECO, 
JORRO E LN2: UMA ANÁLISE TÉCNICO-ECONÔMICA 
MATHEUS EMMANUEL PEREIRA FERNANDES 
 
Dissertação APROVADA pelo Programa de Pós-Graduação em 
Engenharia Mecânica (PPGEM) da Universidade Federal do Rio 
Grande do Norte 
 
 
Banca Examinadora 
Prof. Dr. Anderson Clayton Alves de Melo ___________________________ 
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientador 
Prof. Dr. Adilson José de Oliveira ___________________________ 
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno 
Prof. Dr. Flávio José da Silva ___________________________ 
Universidade Federal de Pernambuco - Avaliador Externo 
 
NATAL, 02 de setembro de 2019. 
 
 
Dedicatória 
Dedico este trabalho aos meus pais e a todos os meus familiares e amigos 
que sempre me ajudaram. 
 
 
 
Agradecimentos 
A Deus, que esteve ao meu lado e me deu força, ânimo e coragem para não 
desistir e continuar lutando por este meu sonho e objetivo de vida. A Ele eu devo 
minha gratidão. 
Ainda, este trabalho não poderia ter sido concluído sem a ajuda das seguintes 
pessoas e organizações, as quais presto minha homenagem: 
Aos meus pais, Emmanuel Costa Fernandes e Dangleide Pereira Leite 
Fernandes, pelo incentivo e apoio em todas as minhas decisões. 
À minha irmã Nathalia Emmanuel Pereira Fernandes, pela parceria e 
encorajamento sempre que necessário. 
À Thays Suelen de Morais Pereira, por toda sua compreensão, apoio e carinho 
quando mais precisei. 
Aos meus professores orientadores Anderson Clayton Alves de Melo e 
Nicolau Apoena Castro, pela orientação, dedicação, paciência e por todos os 
ensinamentos transmitidos. 
Ao professor George Santos Marinho, pelo empréstimo da fonte de tensão 
usada neste trabalho. 
À empresa Dinateste Indústria e Comércio Ltda, pela doação da atualização 
do software TestView-A 1.0.0.4 usado em conjunto com as células de carga para a 
medição da vazão mássica de LN2. 
Ao aluno de iniciação cientifica Caio Vinícius Carlos Frutuoso, pela parceria e 
ajuda na montagem e realização dos testes de medição de vazão de LN2. 
Ao aluno de engenharia mecânica Ivson Roberto Damasceno Silva de Sousa, 
pela parceria e ajuda na montagem e realização dos testes de usinagem com 
aplicação de LN2 por agulha. 
À CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamentos de Pessoal de Nível Superior), 
pelo suporte financeiro através da concessão de minha bolsa. 
À família LABMAN, pelo companheirismo e troca constante de 
conhecimentos. Agradeço pelo privilégio de ter convivido com pessoas tão brilhantes 
academicamente e pessoalmente. 
Ao Laboratório de Manufatura da UFRN (LABMAN), pela disponibilização da 
estrutura necessária para a realização deste trabalho. 
 
Aos técnicos do LABMAN Frazão e Elmar, pela ajuda na fabricação e 
montagem da resistência elétrica usada neste trabalho. 
Ao Laboratório de Criogenia da UFRN, que através do professor Carlos 
Chesman de Araújo Feitosa e dos servidores Carlos Alberto dos Anjos e Paulo Ranier, 
forneceu, gratuitamente, o nitrogênio líquido usado neste trabalho. 
Aos professores do Laboratório de Metrologia da UFRN, Luiz Pedro de Araújo 
e Igor Lopes de Andrade, pelo empréstimo das células de carga usadas neste 
trabalho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“O futuro pertence àqueles que 
acreditam na beleza de seus sonhos." 
Eleanor Roosevelt 
 
Fernandes, M. E. P. Torneamento do aço-ferramenta AISI D6 temperado e 
revenido nas condições seco, jorro e LN2: Uma análise técnico-econômica. 
2019. 104 p. Dissertação de Mestrado (Programa de Pós-Graduação em 
Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 
2019. 
 
Resumo 
 Muito tem se falado nos últimos anos acerca dos impactos ambientais 
provocados pela indústria de usinagem. O uso de fluidos de corte convencionais à 
base de óleos minerais, por exemplo, vem sendo tratado como uma prática a ser 
superada ou, pelo menos, minimizada. Porém, a solução dessa questão esbarra em 
aspectos técnicos, principalmente na usinagem de materiais com baixo índice de 
usinabilidade que promovem o desenvolvimento de altas temperaturas de corte. 
Nesse sentido, tem-se investigado a eficácia técnica de práticas que se apresentam 
como ambientalmente sustentáveis, como é o caso do uso de fluidos criogênicos, 
como o nitrogênio líquido (LN2). Vários trabalhos têm mostrado que a usinagem com 
LN2 apresenta diversas vantagens técnicas, além de ser considerada uma técnica 
sustentável. Apesar disso, o uso de LN2 como fluido de corte na indústria ainda é 
considerado irrelevante. Nesse sentido, este trabalho teve como principal objetivo 
investigar a viabilidade técnico-econômica do uso de LN2 como fluido de corte na 
usinagem do aço-ferramenta AISI D6 temperado e revenido com insertos de PCBN. 
Nesse caso foram investigadas três vazões de LN2. Para efeito de comparação, 
também foram realizados testes a seco e com aplicação de uma emulsão de óleo 
mineral por jorro. Como variáveis de saída foram monitoradas o desgaste da 
ferramenta de corte e aspectos gerais dos cavacos. A análise técnico-econômica foi 
feita com base no custo/mês referente ao consumo de ferramentas de corte, fluido 
de corte, energia elétrica e descarte do fluido de corte. Concluiu-se que a usinagem 
a seco se mostrou mais viável do que qualquer outra condição. Porém, faz-se a 
ressalva de que, ainda que mais cara, a usinagem com LN2 pode ser justificada 
pelos seus benefícios técnicos referentes ao componente usinados. 
 
Palavras-chave: Manufatura Sustentável, Usinagem Criogênica, Aço-Ferramenta 
AISI D6, Torneamento duro. 
 
Fernandes, M. E. P. An experimental study on turning of quenched and 
tempered AISI D6 tool steel under dry, wet and LN2: A technical and economic 
analysis. 2019. 104 p. Master’s Dissertation in Mechanical Engineering- Federal 
University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2018. 
 
Abstract 
 A lot of attention has been paid about the environmental impacts caused 
by the machining industry. The use of conventional cutting fluids based on mineral 
oils, for example, has been approached as a practice to be overcome or, at least, 
minimized. However, the solution for this question comes up against technical 
aspects, mainly in the case of machining of difficult-to-cut materials. In this sense, 
the effectiveness of technical practices that appear as environmentally sustainable, 
as the case of cryogenic machining with liquid nitrogen (LN2), have been 
investigated. Several investigations have shown that the machining assisted by LN2 
present a lot of technical advantages and besides to be considered a sustainable 
cutting fluid. Nevertheless, the use of LN2 as cutting fluid in the industry is considered 
irrelevant. In this sense, the present work was intended to investigate the technical 
and economic feasibility of using liquid nitrogen as cutting fluid in machining of 
quenched and tempered AISI D6 tool steel with PCBN inserts. In this case, three 
flows of LN2 were investigated. For comparison purposes, turning trials under dry 
and wet conditions were also performed. As output variables cutting tool wear and 
chip morphology were monitored. The technical and economic analyses were 
performed based on the cost/hour related with the consumption of cutting tool, 
cutting fluid, electric energy and cutting fluid disposal. It was concluded that the dry 
machining was more feasible as compared to the other conditions. However, it 
should be noticed that cryogenic machining with LN2 can be justified because of its 
technical benefits to the machined component. 
 
 
 
Keywords: Sustainable Manufacturing, Cryogenic Machining, AISI D6 Tool Steel, 
Hard Turning. 
 
https://www.linguee.com.br/ingles-portugues/traducao/quenched.html
 
Lista de Figuras 
 
Figura 1. Os três pilares da manufatura sustentável. .................................................. 4 
Figura 2. Ciclo de vida de um produto em circuito aberto (preto) e fechado (verde). .. 6 
Figura 3. Névoa de LN2 sendo entregue na superfície de saída de um inserto. ......... 9 
Figura 4. Rugosidade média (Ra) em função da condição de lubrirrefrigeração no 
torneamento da liga Inconel 718. .............................................................................. 12 
Figura 5. Rugosidade média (Ra) em função da condição de lubrirrefrigeração e da 
velocidade de corte na usinagem do aço inoxidável AISI 316 L................................ 13 
Figura 6. Efeito da condição de lubrirrefrigeração na topografia da superfície usinada 
do aço inoxidável AISI 316 L (vc = 180 m/min e ap = 0,6 mm). .................................. 14 
Figura 7. Variação da rugosidade média (Ra) na usinagem do aço-ferramenta AISI D6 
temperado e revenido sob diferentes condições de lubrirrefrigeração. ..................... 15 
Figura 8. Efeito da profundidade de corte na rugosidade média (Ra) na usinagem do 
aço inoxidável 17-4 PH SS sob diferentes condições de lubrirrefrigeração. ............. 16 
Figura 9. Variação da dureza na subsuperfície da liga NiTi após sua usinagem sob 
diferentes condições de lubrirrefrigeração. ............................................................... 17 
Figura 10. Variação da microdureza em função da profundidade de medição após a 
usinagem da liga Al 7075-T651 sob diferentes velocidades de corte e condições de 
lubrirrefrigeração. ...................................................................................................... 17 
Figura 11. Variação do desgaste de flanco (VBB) com a profundidade de corte para a 
usinagem do aço inoxidável 17-4 PH SS nas condições de lubrirrefregeração Seco, 
Jorro, MQL e Criogênica (LN2). ................................................................................. 19 
Figura 12. Desgaste de flanco em função do tempo na usinagem do aço AISI 4340 
nas condições Criogênica e Jorro. ............................................................................ 20 
Figura 13. Evolução do desgaste de flanco “VBC” em função do percurso de avanço 
“Lf” e da condição de lubrirrefrigeração na usinagem do aço-ferramenta AISI D6 
temperado e revenido com inserto de PCBN. ........................................................... 21 
Figura 14. Força de corte em função do avanço na usinagem da liga Ni50Ti50 a seco 
e com aplicação de LN2. ............................................................................................ 22 
Figura 15. Força de corte em função da profundidade de corte na usinagem da liga Ti-
6Al-4V nas condições Jorro e Criogênica: (a) vc = 100 m/min, f = 0,1 mm/rot; (b) vc = 
150 m/min, f = 0,2 mm/rot. ........................................................................................ 23 
 
Figura 16. Efeito do avanço e da condição de lubrirrefrigeração na forma dos cavacos 
obtidos na usinagem da liga Ti-6Al-4V. ..................................................................... 25 
Figura 17. Tipos de cavacos com aplicação de LN2 na superfície de saída (SS), 
superfície de folga (SF), em ambas as superfícies (SS/SF) e Seco. ......................... 26 
Figura 18. Efeito das diferentes condições de lubrirrefrigeração na forma dos cavacos 
obtidos na usinagem do aço AISI 4140. .................................................................... 27 
Figura 19. Fluxograma dos testes experimentais e análises realizadas. .................. 30 
Figura 20. Botijão de armazenamento de LN2 e detalhes de sua tampa de fechamento.
 .................................................................................................................................. 31 
Figura 21. Tubos de entrada de ar e de saída de nitrogênio líquido do botijão de LN2.
 .................................................................................................................................. 32 
Figura 22. Esquema de funcionamento do sistema de entrega de LN2 usado por 
Oliveira (2015) e Leadebal Jr. (2017). ....................................................................... 32 
Figura 23. Caminho percorrido pelo LN2 do reservatório de armazenamento até às 
superfícies de saída e de flanco da ferramenta de corte. .......................................... 33 
Figura 24. Detalhes da resistência elétrica usada para o aquecimento do LN2. ....... 34 
Figura 25. Resistência acoplada na parte inferior do tubo de entrada de LN2. ......... 34 
Figura 26. Esquema de funcionamento do sistema de entrega de LN2 modificado. . 35 
Figura 27. Uma das três células de carga usadas para auxiliar na medição da vazão 
mássica de LN2. ........................................................................................................ 36 
Figura 28. Células de carga montadas na base da coluna de sustentação do botijão 
de LN2. ...................................................................................................................... 36 
Figura 29. Sistema preparado para a medição da vazão mássica. ........................... 37 
Figura 30. Interface do software TestView-A 1.0.0.4. ................................................ 37 
Figura 31. Escalas com graduação angular montadas nos eixos dos manípulos das 
válvulas de agulha. .................................................................................................... 38 
Figura 32. Névoa composta de nitrogênio gasoso e líquido na saída do sistema de 
aplicação de LN2. ...................................................................................................... 41 
Figura 33. Máquina-ferramenta usada nos testes de torneamento. .......................... 42 
Figura 34. (a) Desenho do corpo de provas com suas dimensões iniciais em milímetro; 
(b) Corpo de provas fixado na placa do torno. ..........................................................43 
Figura 35. Microestrutura do material usinado (Aço AISI D6 temperado e revenido).
 .................................................................................................................................. 43 
Figura 36. Geometria do inserto usado. .................................................................... 44 
 
Figura 37. Posição de aplicação do fluido de corte por emulsão. ............................. 45 
Figura 38. Posicionamento dos bicos de entrega de LN2 nas condições (a) U2–U3 e 
(b) U4. ....................................................................................................................... 46 
Figura 39. Posicionamento do inserto de PCBN em relação à câmera digital do 
microscópio ferramenteiro. ........................................................................................ 47 
Figura 40. Fluxograma das ações realizadas nos testes de torneamento. ............... 48 
Figura 41. Variação da massa de LN2 em função do tempo para o ensaio V01. ...... 53 
Figura 42. Imagem de MEV da superfície fraturada do inserto de PCBN usado nos 
testes de torneamento e espectros de EDS da área delimitada (retângulo verde). .. 57 
Figura 43. Difratograma da face fraturada do inserto de PCBN usado nos testes de 
torneamento. ............................................................................................................. 57 
Figura 44. Desgaste de flanco (VBC) em função do tempo de usinagem para as 
condições de lubrirrefrigeração Seco, Jorro, LN2 A-A, LN2 1/4A-1/4A e LN2 Agulha-
Agulha (1ª repetição). ................................................................................................ 58 
Figura 45. Curva de regressão obtida a partir dos pontos experimentais do desgaste 
(VBC) em função do tempo de usinagem para a condição LN2 A-A, 1ª repetição. .... 59 
Figura 46. Tempo de usinagem até VBC = 0,25 mm para cada condição de 
lubrirrefrigeração. ...................................................................................................... 60 
Figura 47. Intervalo de confiança da variável aleatória Tempo de vida da aresta de 
corte para cada condição de lubrirrefrigeração. ........................................................ 62 
Figura 48. Imagens do desgaste de flanco (VBC) em alguns dos insertos testados. 65 
Figura 49. Imagem mostrando o cavaco produzido na usinagem a seco com uma 
coloração rubra, sugerindo altas temperaturas na região. ........................................ 66 
Figura 50. Aspecto geral dos cavacos produzidos na condição Seco no início e fim da 
vida da aresta de corte. ............................................................................................. 71 
Figura 51. Aspecto geral dos cavacos produzidos na condição Jorro no início e fim da 
vida da aresta de corte. ............................................................................................. 72 
Figura 52. Aspecto geral dos cavacos produzidos na condição LN2 A-A no início e fim 
da vida da aresta de corte. ........................................................................................ 73 
Figura 53. Aspecto geral dos cavacos produzidos na condição LN2 1/4A-1/4A no início 
e fim da vida da aresta de corte. ............................................................................... 74 
Figura 54. Aspecto geral dos cavacos produzidos na condição LN2 Agulha-Agulha no 
início e fim da vida da aresta de corte. ...................................................................... 75 
 
Figura 55. Imagens de MEV do desgaste no flanco do inserto após seu fim de vida 
para as cinco condições de lubrirrefrigeração testadas. ........................................... 76 
Figura 56. Resultados da análise de EDS pontual das áreas desgastadas dos insertos 
testados nas condições Seco e Jorro. ....................................................................... 78 
Figura 57. Resultados da análise de EDS pontual das áreas desgastadas dos insertos 
testados nas condições LN2 A-A e LN2 1/4A-1/4A. ................................................... 79 
Figura 58. Resultados da análise de EDS pontual das áreas desgastadas do inserto 
testado na condição LN2 Agulha-Agulha. .................................................................. 80 
Figura 59. Resultados das análises de EDS na superfície da raiz do cavaco para as 
cinco condições de lubrirrefrigeração testadas. ........................................................ 81 
Figura 60. Intervalos de confiança para o custo mensal de cada sistema de 
lubrirrefrigeração. ...................................................................................................... 83 
Figura 61. Comparação, em termos de custo/mês, de cada condição de 
lubrirrefrigeração. ...................................................................................................... 83 
 
 
 
 
 
Lista de Tabelas 
Tabela 1. Desempenho de algumas técnicas de lubrirrefrigeração em usinagem. ... 10 
Tabela 2. Comparação entre os custos de diversos sistemas de lubrirrefrigeração. 29 
Tabela 3. Ensaios de medição da vazão de LN2. ...................................................... 39 
Tabela 4. Composição química do aço-ferramenta AISI D6. .................................... 44 
Tabela 5. Geometria do conjunto inserto-suporte. .................................................... 45 
Tabela 6. Ensaios de torneamento realizados. ......................................................... 45 
Tabela 7. Sequência dos ensaios de torneamento realizados. ................................. 49 
Tabela 8. Resultados de estimativa da vazão mássica de LN2 para diferentes 
configurações de abertura das válvulas de agulha do manifold. ............................... 55 
Tabela 9. Valores dos tempos de usinagem até o fim de vida das arestas de corte 
obtidos a partir das curvas de regressão do desgaste em função do tempo de 
usinagem. .................................................................................................................. 60 
Tabela 10. Intervalos de confiança para a variável aleatória Tempo de vida da aresta 
de corte para cada condição de lubrirrefrigeração. ................................................... 61 
Tabela 11. Probabilidades de ocorrência da média populacional da variável aleatória 
Tempo de vida da aresta de corte se encontrar em determinados intervalos. .......... 63 
Tabela 12. Custos operacionais estimados de cada sistema de lubrirrefrigeração. .. 82 
 
 
 
Lista de abreviaturas e siglas 
 
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas 
AISI American Iron and Steel Institute – Instituto Americano do Ferro e do aço 
CNC Comando Numérico Computadorizado 
EDS Espectroscopia por Dispersão de Energia 
HRC Dureza Rockwell C 
HV Dureza Vickers 
LCO2 Dióxido de Carbono Líquido 
LN2 Nitrogênio Líquido 
MEV Microscopia Eletrônica de Varredura ou Microscópio Eletrônico de Varredura 
MQL Mínima Quantidade de Lubrificante 
PCBN Nitreto Cúbico de Boro Policristalino 
PVD Physical Vapor Deposition – Deposição de fase por processo físico 
RPM Rotação por minuto 
SS Superfície de saída 
SF Superfície de folga 
UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte 
 
Lista de símbolos 
 
ap Profundidade de corte 
f Avanço 
Lf Percurso de avanço 
Vef Variação da tensão elétrica eficaz 
VB Desgaste de flanco 
VBC Desgaste de flanco de ponta 
vc Velocidade de corte 
C.A. Coeficiente angular 
Q Vazão 
 
 
 
 
 
Sumário 
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 1 
1.1. OBJETIVOS....................................................................................................................................2 
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................... 3 
 MANUFATURA SUSTENTÁVEL .....................................................................................................3USINAGEM CRIOGÊNICA ..............................................................................................................8 
2.2.1. Efeito da refrigeração criogênica na rugosidade da superfície usinada ............................. 11 
2.2.2. Efeitos da refrigeração criogênica na microdureza da superfície usinada ......................... 16 
2.2.3. Efeito da refrigeração criogênica no desgaste da ferramenta de corte .............................. 18 
2.2.4. Efeito da refrigeração criogênica na força de corte ............................................................ 21 
2.2.5. Efeito da refrigeração criogênica na forma dos cavacos .................................................... 24 
 ASPECTOS ECONÔMICOS ........................................................................................................ 28 
3. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................... 30 
3.1. MODIFICAÇÃO DO SISTEMA DE RETIRADA DE LN2 DO RESERVATÓRIO ............................ 31 
3.2. MEDIÇÃO DA VAZÃO MÁSSICA DE LN2 COM O SISTEMA MODIFICADO ............................... 35 
3.3. ANÁLISE DO MATERIAL DOS INSERTOS ................................................................................. 41 
3.4. TESTES DE TORNEAMENTO ..................................................................................................... 42 
3.5. ANÁLISE POR MEV DO DESGASTE DOS INSERTOS............................................................... 49 
3.6. ANÁLISE POR MEV DOS CAVACOS .......................................................................................... 49 
3.7. ANÁLISE ECONÔMICA ............................................................................................................... 50 
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................ 52 
4.1. MODIFICAÇÃO DO SISTEMA DE RETIRADA DE LN2 DO RESERVATÓRIO ............................ 52 
4.2. MEDIÇÃO DA VAZÃO MÁSSICA DE LN2 COM O SISTEMA MODIFICADO ............................... 53 
4.3. ANÁLISE DO MATERIAL DOS INSERTOS ................................................................................. 56 
4.4. TESTES DE TORNEAMENTO ..................................................................................................... 58 
4.4.1. Resultados do desgaste de flanco (VBC) e de vida da ferramenta de corte ....................... 58 
4.4.2. Aspectos gerais dos cavacos .............................................................................................. 69 
4.5. ANÁLISE POR MEV DO DESGASTE DOS INSERTOS............................................................... 75 
4.6. ANÁLISE POR MEV DOS CAVACOS .......................................................................................... 80 
4.7. ANÁLISE ECONÔMICA ............................................................................................................... 82 
5. CONCLUSÕES ..................................................................................................... 85 
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................... 87 
7. REFERÊNCIAS .................................................................................................... 88 
8. APÊNDICE............................................................................................................ 93 
1 
 
1. INTRODUÇÃO 
Nos últimos 20 anos, tem-se dado grande atenção às questões relacionadas 
à sustentabilidade econômica, social e ambiental em praticamente todas as áreas da 
atuação humana (LU; JAWAHIR, 2015). O aumento das doenças relacionadas ao 
trabalho, as políticas governamentais mais rigorosas em relação ao meio ambiente e 
a necessidade de redução do custo total de fabricação, estão contribuindo para a 
busca de uma manufatura mais sustentável no ambiente industrial. A definição geral 
fornecida por Brundtland (1987) em seu relatório Our Common Future, afirma que o 
desenvolvimento sustentável é aquele capaz de atender às necessidades do 
presente, sem comprometer a capacidade de suprir as necessidades das gerações 
futuras. 
Na indústria de usinagem, os fluidos de corte convencionais são amplamente 
utilizados com a finalidade de reduzir problemas associados ao atrito e à geração de 
calor, tais como: (i) aumento da taxa de desgaste da ferramenta de corte (MACHADO 
et al., 2009); (ii) redução da qualidade da superfície usinada (M’SAOUBI et al., 2014; 
JAWAHIR et al., 2011) e (iii) diminuição da resistência à fadiga da peça (PU et al., 
2012). Porém, o uso intenso e deliberado de fluidos de cortes convencionais vem de 
encontro à definição de sustentabilidade dada por Brundtland (1987). Trabalhos 
recentes mostram que a exposição aos fluidos de corte pode levar ao desenvolvimento 
de doenças de pele e respiratórias (HANNU et al., 2013; LAWAL; CHOUDHURY; 
NUKMAN, 2012; SHOKRANI; DHOKIA; NEWMAN, 2012). Além disso, legislações 
ambientais, tais como a Lei Nacional 6.938, de 31 de agosto de 1981; e a norma ISO 
14001 de 2015, estão cada vez mais rigorosas, fazendo com que os custos 
associados ao descarte dos fluidos de corte se tornem cada vez mais elevados. Nesse 
contexto, a usinagem a seco, a princípio, poderia ser considerada uma alternativa 
sustentável à usinagem com fluidos de corte de base mineral. Contudo, as 
temperaturas no corte a seco representam uma queda significativa na vida útil da 
ferramenta (DUTRA XAVIER et al., 2011), além de provocar distorções na peça e 
comprometer a integridade da superfície usinada (SHARMA; SIDHU, 2014). 
Uma das alternativas que vem sendo investigada com frequência nos últimos 
anos é o uso de fluidos criogênicos, tal como o LN2 (nitrogênio líquido). Diversos 
trabalhos têm sido publicados com resultados que evidenciam os benefícios técnicos 
e ambientais do uso do LN2 como fluido de corte (KAYNAK et al., 2014; SHOKRANI 
http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/leis/L6938.htm
2 
 
et al., 2012; UMBRELLO et al., 2012; LEADEBAL JR. et al., 2019). Usualmente, o LN2 
é aplicado diretamente na zona de corte, absorvendo calor latente desta e se 
vaporizando. A usinagem com o LN2 resulta em peças usinadas secas e limpas e sem 
risco de contaminação ambiental ou de doenças de trabalho, pois o gás nitrogênio 
retorna para o meio ambiente (PUSAVEC et al., 2014). Entretanto, mesmo com todas 
as vantagens técnicas e ambientais evidenciadas por diversas investigações 
experimentais, existe uma certa carência em relação à publicações científicas que 
mostrem a viabilidade técnico-econômica do uso deste tipo de fluido nas operações 
de usinagem, já que o LN2 é considerado um fluido de custo de aquisição 
relativamente elevado e o mesmo é “perdido” para a atmosfera após seu uso. 
1.1. OBJETIVOS 
Assim, o presente trabalho teve como principal objetivo investigar a viabilidade 
técnico-econômica do uso de LN2 no torneamento do aço-ferramenta AISI D6 
temperado e revenido. 
Nesse sentido, foram adotados os seguintes objetivos específicos: 
a) Alterar fisicamente o sistema de aplicação de LN2 desenvolvido no 
Laboratório de Manufatura da UFRN, com vistas na medição da vazão 
mássica de LN2 para diversas configurações de aberturas das duas 
válvulas de entrega do fluido; 
b) Tornear uma barra de aço-ferramenta AISI D6 temperado e revenido com 
inserto de PCBN nas condições seco, Jorro e LN2 em três diferentes 
vazões; 
c) Avaliar desgaste de flanco da ferramenta de corte (VBC); 
d) Avaliar aspectos gerais dos cavacos; 
e) Realizar uma análise econômica comparativa entre as técnicas de 
lubrirrefrigeração testadas. 
 
 
 
 
 
3 
 
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
O texto de revisão bibliográfica traz uma breve apresentação dos assuntos 
que estão direta ou indiretamente relacionados ao tema desta pesquisa. Assim, inicia-
se abordando o tema Manufatura Sustentável. Em seguida, apresenta-se uma revisão 
sobre Usinagem Criogênica,destacando-se suas vantagens e desvantagens em 
relação à outras técnicas de lubrirrefrigeração. Finaliza-se este capítulo com a 
apresentação de alguns Aspectos Econômicos relacionados à aplicação de diversos 
meios de lubrirrefrigeração em usinagem. 
 MANUFATURA SUSTENTÁVEL 
Tradicionalmente os processos de manufatura se desenvolveram na busca 
por máxima produtividade com o menor custo possível, muitas vezes sem uma 
preocupação acerca de seus efeitos no meio ambiente, na saúde do trabalhador e na 
sociedade (UMBRELLO; MICARI; JAWAHIR, 2012). Entretanto, desde meados da 
década de 1970, vários setores e entidades sociais começaram a discutir a 
necessidade de se adotar práticas mais responsáveis nesse sentido, o que tem 
conduzido à redução do uso de recursos não-renováveis, à crescente preferência do 
consumidor por produtos economicamente e ambientalmente sustentáveis e ao 
estabelecimento de regulamentos mais rigorosos no que se refere ao meio ambiente, 
à saúde ocupacional, dentre outros (JAYAL et al., 2010). Tal comportamento tem 
forçado as indústrias a buscarem soluções mais sustentáveis para seus processos de 
produção, levando em consideração aspectos econômicos, ambientais e sociais, os 
quais são vistos como os três pilares que suportam o que se denomina Manufatura 
Sustentável (JAYAL et al., 2010; LU; JAWAHIR, 2015). A figura 1, adaptada de 
Pusavec et al. (2010), mostra uma engrenagem com os três elementos (pilares) da 
manufatura sustentável. 
4 
 
Figura 1. Os três pilares da manufatura sustentável. 
 
Fonte: adaptado de Pusavec et al. (2010). 
De acordo com Jayal et al. (2010), a definição mais amplamente aceita de 
desenvolvimento sustentável é aquela fornecida por Brundtland em 1987 e adotada 
pela Comissão das Nações Unidas que afirma: “Desenvolvimento sustentável é 
aquele capaz de atender às necessidades do presente, sem comprometer a 
capacidade de suprir as necessidades das gerações futuras”. 
O Departamento de Comércio dos Estados Unidos (United States Department 
of Commerce and Labor) define manufatura sustentável como aquela em que 
produtos manufaturados são obtidos a partir de processos que causam impactos 
ambientais mínimos, conservam energia e recursos naturais, são seguros para os 
trabalhadores, comunidades e consumidores, além de serem economicamente viáveis 
(ROSEN; KISHAWY, 2012). 
Jawahir et al. (2013) afirmam que a manufatura sustentável pode ser definida 
como aquela capaz de reduzir o impacto ambiental, oferecendo melhoria da eficiência 
energética, redução do uso de recursos naturais, geração mínima de resíduos, boa 
segurança operacional e de saúde pessoal, enquanto mantém e/ou melhora a 
qualidade de seus produtos e processos. 
Pode-se perceber que todas as definições mencionadas têm em comum a 
preocupação com os impactos causados ao meio ambiente, à saúde e integridade 
física das pessoas envolvidas nos processos e à conservação de energia e recursos 
naturais. 
5 
 
Diante do exposto, os esforços para tornar a manufatura sustentável devem 
considerar questões relacionadas ao produto, ao processo e ao sistema de produção 
(JAYAL et al., 2010). A nível de produto, é necessário não somente priorizar os 
sistemas de ciclo fechado, como também ampliar suas concepções mais simples, 
como é o caso do tradicional sistema 3R (Reduzir, Reutilizar e Reciclar), em que se 
estimula a redução da fabricação de novos produtos com baixa expectativa de vida 
útil; a reutilização de produtos fabricados, que já não atendem às suas funções 
originais, em outras aplicações diversas; e a reciclagem daquilo que não mais é 
possível se usar de alguma forma, para a geração de matéria-prima para a obtenção 
de novos produtos. Neste caso, uma ideia mais atual seria a 6R (Reduzir, 
Remanufaturar, Reusar, Recuperar, Reciclar e Reprojetar), que estimula um ciclo 
fechado mais amplo no que se refere à vida do produto (JAWAHIR et al., 2006). É 
importante enfatizar que a reciclagem também é um caminho para geração de 
empregos e desenvolvimento de novas tecnologias. 
A figura 2 mostra um sistema 6R de ciclo de vida de um produto (verde), em 
comparação com um sistema de ciclo aberto (preto). Observa-se que, no sistema 
aberto, o produto é fabricado, usado e descartado no final de sua vida útil. Nesse caso, 
os recursos materiais, a produção de resíduos, o uso de energia e outras emissões 
do sistema, são basicamente uma função da demanda do mercado consumidor. No 
sistema 6R, entretanto, as etapas REUSAR, REMANUFATURAR e RECICLAR são 
responsáveis pela circulação do material no sistema. Essas etapas diminuem a 
necessidade de nova extração de material do meio ambiente para alimentar o sistema, 
resultando na redução de energia e de emissões de poluentes (JAWAHIR et al., 2006). 
 
 
6 
 
Figura 2. Ciclo de vida de um produto em circuito aberto (preto) e fechado (verde). 
 
Fonte: adaptado de Jawahir et al. (2006). 
 Em âmbito de processo, é necessário usar técnicas que sejam capazes de 
proporcionar redução de energia, de consumíveis, de resíduos tóxicos, de riscos 
ocupacionais, dentre outros (JAWAHIR; DILLON, 2007). Em âmbito de sistema, é 
preciso considerar todos os aspectos do ciclo de vida do produto, ou seja, pré-
fabricação, fabricação, uso e pós-uso (BADURDEEN et al., 2009). 
Diante desse contexto, a usinagem apresenta um papel de destaque frente 
aos demais processos de manufatura mecânica, uma vez que a demanda por peças 
usinadas cresce a cada dia, impulsionando a indústria ao uso de práticas que, com 
frequência, vêm de encontro aos princípios da sustentabilidade (KAYNAK; KARACA; 
JAWAHIR, 2014). 
É notório que a usinagem de peças metálicas resulta da interação mecânica 
entre ferramenta, peça e cavaco. Essa interação resulta em atrito e calor que 
influenciam diretamente na taxa de desgaste da ferramenta de corte, em possíveis 
distorções dimensionais e geométricas na peça, alterações indesejadas na 
integridade da superfície usinada, baixa produtividade, entre outros. Assim, como 
forma de minimizar esses efeitos indesejáveis, os fluidos de corte, principalmente 
7 
 
aqueles à base de óleo mineral, têm sido utilizados na indústria de forma abundante 
como meio de lubrirrefrigeração (AGGARWAL et al., 2007). 
Infelizmente, existe uma série de desvantagens associadas ao uso de fluidos 
de corte convencionais (à base de óleo mineral). Normalmente estes fluidos são 
aplicados na forma de jorro, recirculando na máquina através de bombeamento do 
seu reservatório de armazenamento até à zona de corte, o que gera uma sensação 
de economia baseada no fato de que o fluido é usado várias vezes. Porém, com 
frequência, esses fluidos sofrem alterações em suas características químicas, físicas 
e biológicas, o que exige manutenção até o fim de suas vidas úteis, quando devem 
ser reciclados/descartados. Obviamente, existem custos atrelados a esses processos 
de manutenção, reciclagem e descarte que impactam diretamente no custo total de 
produção. 
Os óleos minerais, quando usados na forma de emulsões, como normalmente 
ocorre na indústria da usinagem, são frequentemente atacados por bactérias e fungos, 
o que reduz o tempo de vida útil destes (RUZZI, 2017). Embora existam aditivos 
químicos capazes de inibir a proliferação de micro-organismos nos fluidos minerais, 
muitas vezes estes são compostos de substâncias químicas perigosas para o meio 
ambiente e para a saúde do trabalhador. Muitos dos biocidas disponíveis liberam 
formaldeído, que é considerada uma substância com potencial cancerígeno 
(SHOKRANI et al., 2012). Além disso, em algumas situações, os fluidos de corte 
podem sofrer vaporização e/ou atomização quando aplicados, como acontece no caso 
do uso da técnica MQL (Mínima Quantidade de Lubrificante). Nesse caso, a névoa 
produzida pode ser facilmente inalada pelo trabalhador, causando doenças em seu 
aparelho respiratório, desde problemas leves,até o desenvolvimento de cânceres de 
esôfago, estômago, pâncreas, próstata, cólon e reto (SHOKRANI; DHOKIA; 
NEWMAN, 2012). 
Segundo Kuram et al. (2013), a maioria dos fluidos de corte utilizados na 
usinagem são de base mineral contendo substâncias químicas prejudiciais ao meio 
ambiente. O descarte desse tipo fluido de corte causa contaminação da água, poluição 
do ar e do solo. 
Portanto, o uso intenso e deliberado de fluidos de cortes convencionais na 
usinagem, atualmente, vem de encontro aos princípios do que se denomina 
Manufatura Sustentável. Assim, muito esforço tem sido feito pela comunidade 
científica mundial no sentido de se buscar alternativas que consigam agregar 
8 
 
resultados técnicos satisfatórios, com o mínimo impacto ao meio ambiente, à saúde 
do trabalhador, à economia e à sociedade. 
Poder-se-ia pensar como uma alternativa, a eliminação completa dos fluidos 
de corte nos processos de usinagem. Porém, o corte a seco não parece ser uma 
solução universalmente viável atualmente, já que existem situações em que o atrito e 
o calor gerados na usinagem são intensos, como no caso do corte de aços inoxidáveis, 
de ligas de Ni e Ti e de aços-ferramenta com dureza elevada. Nesse contexto, os 
gases liquefeitos têm se apresentado como uma alternativa. O LN2, por exemplo, se 
vaporiza no momento de seu contato com a zona de corte, roubando calor desta, 
reduzindo a temperatura de corte e retornando ao meio ambiente, onde 78% da 
atmosfera é composta por nitrogênio gasoso (ELSHWAIN et al., 2013). Isso elimina 
os custos de manutenção, descarte e os custos associados à limpeza das peças, dos 
cavacos e da máquina-ferramenta, como acontece com os fluidos convencionais à 
base de óleo mineral (DOGRA et al., 2010). 
Segue uma revisão bibliográfica sobre a usinagem criogênica, na qual são 
apresentadas suas principais características, vantagens, desvantagens e desafios. 
 USINAGEM CRIOGÊNICA 
De acordo com Shokrani et al. (2012), o termo “criogenia” se refere à ciência 
das temperaturas muito baixas. O termo "usinagem criogênica" foi usado pela primeira 
vez por Uehara e Kumagai (1968) apud Jawahir et. al (2016) para denominar a técnica 
de uso de gases liquefeitos como fluido de lubrirrefrigeração no corte de metais. Neste 
caso, o nitrogênio líquido (LN2) é o fluido mais comumente usado em aplicações que 
envolvem criogenia, embora alguns trabalhos tenham sido publicados com o uso do 
dióxido de carbono líquido (LCO2), cuja temperatura de vaporização à pressão 
atmosférica é de -78 oC. 
O LN2 é um gás liquefeito produzido industrialmente por destilação fracionada 
do ar atmosférico líquido, além de não apresentar cor, cheiro, gosto e toxicidade 
(YILDIZ; NALBANT, 2008). Sua temperatura de vaporização é de aproximadamente -
196 ºC, é o mais abundante gás presente na atmosfera (78% em volume) (KAYNAK 
et al., 2014). 
De acordo com Pusavec et al. (2014), a grande maioria dos estudos sobre 
usinagem criogênica tem usado o nitrogênio líquido (LN2) e o dióxido de carbono 
líquido (LCO2) como fluidos de corte. Em ambos os casos os gases que dão origem a 
9 
 
estes fluidos estão amplamente presentes na atmosfera. Porém, o nitrogênio líquido 
é preferido por ser considerado ecologicamente correto, o que não é o caso do dióxido 
de carbono líquido que produz CO2 após a sua aplicação em operações de usinagem, 
gás este, considerado um dos grandes vilões pela deterioração da camada de ozônio 
da Terra. 
O uso de LN2 como fluido de corte elimina a necessidade de sua manutenção 
e descarte, além de afastar a demanda por limpeza das peças usinadas e da máquina-
ferramenta, como ocorre no caso do uso de fluidos convencionais, o que reduz o custo 
total de produção (DEBNATH et al., 2014; UMBRELLO et al., 2012). 
Usualmente o LN2 tem sido entregue à zona de corte através de bicos de 
pequeno diâmetro, normalmente na forma de uma névoa composta de nitrogênio 
gasoso e gotículas de nitrogênio líquido (figura 3), o que garante uma temperatura de 
chegada em torno de -196 °C. No momento em que esta névoa entra em contato com 
a zona de corte, as gotículas de LN2 absorvem a energia térmica gerada no processo, 
sofrendo vaporização imediata. 
Figura 3. Névoa de LN2 sendo entregue na superfície de saída de um inserto. 
 
Fonte: Elaborada pelo autor. 
Vários trabalhos têm sido publicados apresentando resultados comparativos 
da usinagem criogênica em relação a outras técnicas de lubrirrefrigeração, tais como: 
Seco, MQL, Jorro e Híbrida (Criogênica+MQL). Jawahir et al. (2016), por exemplo, 
apresentaram uma tabela-resumo (tabela 1) mostrando de forma qualitativa o 
desempenho dos principais métodos de lubrirrefrigeração disponíveis em relação a 
diversos pontos de análise. 
 
 
10 
 
Tabela 1. Desempenho de algumas técnicas de lubrirrefrigeração em usinagem. 
 
Técnica de 
lubrirrefrigeração  
Jorro 
(emulsão) 
Seco 
(ar) 
MQL 
(óleo) 
Criogênica 
(LN2) 
Hibrido 
(LN2+MQL) 
E
fe
it
o
 
P
ri
m
á
ri
o
 Refrigeração Boa Ruim Insignificante Excelente Excelente 
Lubrificação Excelente Ruim Excelente Insignificante Excelente 
Remoção do cavaco Boa Boa Insignificante Boa Boa 
S
e
c
u
n
d
á
ri
o
 
Refrigeração da 
máquina 
Boa Ruim Ruim Insignificante Insignificante 
Refrigeração da 
peça 
Boa Ruim Ruim Boa Boa 
Controle de 
pó/partículas 
Bom Ruim Insignificante Insignificante Bom 
Qualidade do 
produto (integridade 
da superfície 
usinada) 
Boa Ruim Insignificante Excelente Excelente 
 
 
Questões ligadas à 
sustentabilidade  
Poluição da 
água, 
proliferação 
microbiana e 
alto custo 
- 
Vapor de óleo 
nocivo 
Custo inicial 
elevado 
Custo inicial 
elevado, vapor 
de óleo 
Fonte: adaptada de Jawahir et al. (2016). 
Observa-se que, do ponto de vista de resultados referentes ao processo de 
usinagem em si, o uso de emulsão por jorro apresenta resultados positivos em todos 
os itens avaliados. Porém, no que se refere a questões ligadas à sustentabilidade e 
ao custo operacional, a técnica deixa a desejar. Nota-se que a técnica de usinagem a 
seco, com uso de ar comprimido, apresenta um excelente resultado no que se refere 
à sustentabilidade, porém nos itens de avaliação relacionados ao processo, os 
resultados são na grande maioria ruins quando comparados com as outras técnicas. 
A técnica MQL se apresenta como uma alternativa mais sustentável do que a jorro, 
porém com resultados relacionados à usinagem inferiores. Apesar de seu custo inicial 
relativamente elevado, a técnica criogênica mostra resultados classificados como 
“bons” ou “excelentes” nos itens diretamente relacionados com peça-cavaco-
ferramenta, além de ser considerada uma estratégia sustentável. Finalmente, a 
técnica híbrida mostra que a junção da usinagem criogênica, sustentável e com alto 
poder de refrigeração, com a MQL, com “excelente” poder de lubrificação e também 
considerada sustentável, pode resultar numa estratégia que agrega os pontos 
positivos das duas técnicas separadas. 
Uma análise das informações presentes na tabela 1, conduz à crítica de que 
o desempenho de algumas técnicas apresentadas pode ser questionável, como a 
11 
 
“remoção do cavaco” ser classificada como “boa” na usinagem a seco, sendo que 
nessa condição as altas temperaturas na interface cavaco/ferramenta tendem a gerar 
cavacos contínuos e em forma de fita. Já na condição MQL os itens “remoção do 
cavaco” e “controle de pó/partículas” são classificados como insignificantes, porém o 
ar comprimido ajuda na remoção dos cavacos e o ambiente é fortemente contaminado 
por essa técnica. 
Nos itens a seguir, são apresentados alguns resultados de trabalhos de 
pesquisa realizados sobre a usinagem criogênica e seus efeitos em diversas variáveis 
relacionadas ao processo de corte. 
2.2.1. Efeito da refrigeração criogênica na rugosidade da superfície usinada 
A rugosidade é uma das principais características da integridadesuperficial 
de componentes usinados. Os efeitos de diversas variáveis do processo na 
rugosidade da superfície usinada, tais como, avanço, velocidade de corte, lubrificação, 
entre outras, já são bem conhecidos. No entanto, o efeito do resfriamento criogênico 
é um assunto relativamente novo e carente de uma melhor compreensão. 
O efeito da usinagem criogênica na rugosidade da superfície usinada de 
diferentes materiais tem sido extensivamente estudado. De forma geral, relata-se na 
literatura que a usinagem criogênica é uma técnica que favorece a diminuição da 
rugosidade (KAYNAK; LU; JAWAHIR, 2014). 
No torneamento da liga Inconel 718 (vc = 60 m/min, f = 0,05 mm/rot e ap = 0,63 
mm), por exemplo, Pusavec et al. (2011) relataram que o uso de LN2 (pressão de 1,5 
MPa e vazão de 0,6 kg/min por bocal) como fluido de corte e a combinação deste com 
a técnica MQL (vazão de 120 ml/h e fluido lubrificante Coolube 2210EP) reduziram os 
valores de rugosidade média (Ra) da superfície usinada quando comparadas às 
condições a seco e MQL puro, conforme mostrado na figura 4. 
12 
 
Figura 4. Rugosidade média (Ra) em função da condição de lubrirrefrigeração no 
torneamento da liga Inconel 718. 
 
Fonte: adaptada de Pusavec et al. (2011). 
 Observa-se que o menor valor de rugosidade média foi obtido na condição 
Crio/MQL, ou seja, quando as técnicas criogênica e MQL foram associadas. Os 
autores explicaram a maior rugosidade na condição Crio em comparação à condição 
Crio/MQL, pela maior força de corte que ocorreu naquela condição motivada pelo 
resfriamento prévio da peça. Nesse caso, citam os autores, que a medição da força 
foi realizada num trabalho anterior (Pusavec et al., 2008). 
Kaynak et al. (2014) também investigaram o efeito de diferentes métodos de 
lubrirrefrigeração (Seco, MQL, Jorro e Crio/LN2) na rugosidade da superfície usinada 
de peças de aço inoxidável AISI 316 L. Neste caso, foram usados insertos de metal 
duro sem revestimento, com geometria CNMA 432 e raio de ponta de 0,8 mm com os 
parâmetros de usinagens constantes: f = 0,12 mm/rot, ap = 0,6 mm e comprimento de 
corte = 20 mm. A figura 5 mostra os resultados obtidos para duas velocidades de corte 
(125 e 180 m/min). 
13 
 
Figura 5. Rugosidade média (Ra) em função da condição de lubrirrefrigeração e da 
velocidade de corte na usinagem do aço inoxidável AISI 316 L. 
 
Fonte: adaptada de Kaynak et al. (2014). 
Nota-se que para a velocidade de corte de 125 m/min, qualquer condição de 
lubrirrefrigeração resultou num valor de rugosidade média menor do que aquele obtido 
na usinagem a seco. Considerando-se a dispersão dos resultados, pode-se inferir que 
não existiu diferença estatística significativa entre as condições MQL, Jorro e Crio. 
Com o aumento da velocidade de corte para 180 m/min, nota-se uma 
tendência de queda no valor da rugosidade média para quase todas as condições de 
lubrirrefrigeração. Neste caso, a única condição que resultou num aumento de Ra foi 
a Jorro. Esta tendência de queda no valor da rugosidade com o aumento da 
velocidade de corte na usinagem de materiais ferrosos, é conhecida já há bastante 
tempo e bem explicada para o caso da usinagem do aço AISI 1045 normalizado em 
Shaw (2005, pp. 442 – 445). Nota-se ainda que, nesta velocidade de 180 m/min, o 
valor da rugosidade média caiu de forma significativa para a condição Crio em relação 
às demais. Nesse caso, os autores justificaram o resultado com base na análise da 
topografia da superfície usinada, conforme a figura 6. 
14 
 
Figura 6. Efeito da condição de lubrirrefrigeração na topografia da superfície usinada do aço 
inoxidável AISI 316 L (vc = 180 m/min e ap = 0,6 mm). 
 
Fonte: adaptada de Kaynak et al. (2014). 
Observa-se que para a condição Crio, as marcas de rugosidade são bem mais 
suaves do que aquelas obtidas nas outras condições. Leadebal Jr. et al. (2018) 
investigaram a influência da aplicação de LN2 na rugosidade média da superfície 
usinada do aço-ferramenta AISI D6 temperado e revenido com insertos de PCBN ISO 
H15. Neste caso, foram feitos testes de torneamento longitudinal a seco e com 
aplicação de LN2 nas superfícies de folga (SF), de saída (SS) e em ambas as 
superfícies da ferramenta de corte (SS/SF). Os parâmetros de usinagem foram 
mantidos constantes: vc = 170 m/min, ap = 0,1 mm e f = 0,1 mm/rot. A figura 7 mostra 
os valores de Ra obtidos. 
 
 
 
 
 
 
15 
 
Figura 7. Variação da rugosidade média (Ra) na usinagem do aço-ferramenta AISI D6 
temperado e revenido sob diferentes condições de lubrirrefrigeração. 
 
Fonte: adaptada de Leadebal Jr. et al. (2018). 
Nota-se que o resfriamento criogênico proporcionou valores de rugosidade 
média para as condições SF, SS e SS/SF significativamente inferiores àquele obtido 
na condição Seco. Neste caso, novamente, a justificativa apresentada foi que a 
usinagem criogênica provoca fragilização da superfície da peça, fazendo com que o 
material se torne quebradiço, o que provocaria a fratura dos picos das marcas de 
avanço, reduzindo a distância pico-vale da microtextura da superfície usinada. Como 
meio de provar este fato, os autores apresentaram os perfis de rugosidade obtidos 
para cada condição de lubrirrefrigeração. Assim, os valores de Rz medidos para as 
condições Seco, SF, SS e SS/SF foram 1,95, 1,43, 1,43 e 1,22 m, respectivamente. 
Shokrani et al. (2012) apresentaram resultados semelhantes na investigação 
da rugosidade com aplicação de nitrogênio líquido no fresamento da liga de titânio Ti–
6Al–4V. Nesse caso, quando comparada com à condição a seco, a usinagem 
criogênica forneceu valores de rugosidade até 21% menores. 
Já Sivaiah e Chakradhar (2018) estudaram a influência da condição de 
lubrirrefrigeração e da profundidade de corte no torneamento aço inoxidável 17-4 PH 
SS, muito usado nas indústrias naval, aeroespacial e nuclear. Nesse caso, as técnicas 
usadas foram: Seco, MQL, Jorro (emulsão 5%) e LN2. A figura 8 mostra os resultados 
obtidos. Para uma profundidade de corte de 0,2 mm, a rugosidade média (Ra) foi de 
1,8 μm para a condição a seco, 1,56 μm para a condição Jorro, 1,42 μm para a 
condição MQL e 1,31 μm para a condição criogênica. Assim, a usinagem assistida por 
LN2 foi capaz de reduzir a rugosidade média em 27%, 16% e 8%, quando comparada 
às condições a seco, Jorro e MQL, respectivamente. Para todas as outras 
profundidades de corte, a usinagem criogênica forneceu o menor valor de rugosidade 
média frente às demais condições de lubrirrefrigeração. 
16 
 
Figura 8. Efeito da profundidade de corte na rugosidade média (Ra) na usinagem do aço 
inoxidável 17-4 PH SS sob diferentes condições de lubrirrefrigeração. 
 
Fonte: adaptada de Sivaiah e Chakradhar (2018). 
Os resultados dos artigos anteriores mostraram que o resfriamento criogênico 
proporcionou menores valores de rugosidade. Como esse parâmetro se constitui numa das 
principais características da integridade superficial da peça, o componente usinado apresenta 
um valor agregado superior. 
2.2.2. Efeitos da refrigeração criogênica na microdureza da superfície usinada 
Kaynak et al. (2011) e Rotella et al. (2012), estudaram o efeito da usinagem 
criogênica na microdureza da superfície usinada. Kaynak et al. (2011) observaram, 
que na usinagem criogênica com LN2 em ligas de materiais duros, como as ligas de 
NiTi, a superfície usinada resultante apresentou uma dureza superior em comparação 
àquela obtida na usinagem a seco. Mesmo em profundidades de corte maiores, a 
dureza foi levemente maior na condição criogênica, como pode ser visto na figura 9. 
Leadebal Jr. et al. (2018) também obtiveram resultado semelhante na usinagem do 
aço-ferramenta AISI D6 temperado e revenido assistida com LN2. 
17 
 
Figura 9. Variação da dureza na subsuperfície da liga NiTi após sua usinagem sob 
diferentes condições de lubrirrefrigeração. 
 
Fonte: adaptado de Kaynak et al. (2011). 
Já Rotellaet al. (2012) estudaram a influência da refrigeração criogênica com 
LN2 na microdureza da superfície usinada da liga de alumínio Al 7075-T651. Os 
resultados estão mostrados na Figura 10, onde pode-se ver também os resultados 
para o corte a seco. 
Figura 10. Variação da microdureza em função da profundidade de medição após a 
usinagem da liga Al 7075-T651 sob diferentes velocidades de corte e condições de 
lubrirrefrigeração. 
 
Fonte: adaptado de Rotella et al. (2012). 
18 
 
Nota-se maiores valores de dureza superficial e subsuperficial após os testes 
realizados com LN2. De acordo com os autores a recristalização dos grãos na 
superfície da peça ocorreu em todos em todas as condições testadas. Porém, as 
maiores durezas obtidas na condição criogênica, ocorreram por causa da obtenção 
de um menor tamanho de grão em relação àquele obtido para a condição a seco. 
2.2.3. Efeito da refrigeração criogênica no desgaste da ferramenta de corte 
A aplicação de LN2 em processos de usinagem tem sido usada como 
alternativa para aumentar a resistência ao desgaste das ferramentas de corte 
principalmente por dois motivos: (i) evitar a redução da dureza destas com a elevação 
da temperatura; e (ii) diminuir a reatividade química entre os materiais em contato 
(BERMINGHAM et al., 2011). 
Sivaiah e Chakradhar (2018) estudaram a evolução do desgaste de flanco em 
ferramentas de metal duro revestidas com AlTiN (classe KC5010 da Kennametal) no 
torneamento do aço inoxidável 17-4 PH SS sob as condições de lubrirrefrigeração 
Seco, Jorro, MQL e Criogênica (LN2). Nesse caso, a velocidade de corte e o avanço 
foram mantidos constantes (vc = 78,5 m/min e f = 0,143 mm/rot) e variou-se a 
profundidade de corte (ap = 0,2, 0,4, 0,6 e 1 mm). A figura 11 mostra os resultados 
obtidos. 
Observa-se, por exemplo, que para a profundidade de corte de 0,2 mm, os 
valores de desgaste de flanco médio, VBB, para as condições de usinagem Seco, Jorro 
(emulsão 5%), MQL e Criogênica (LN2) foram, respectivamente, iguais a 84, 77, 75 e 
55 μm. Assim, a redução percentual no valor do desgaste da ferramenta foi de 35, 29 
e 27%, quando a condição Criogênica foi comparada às condições Seco, Jorro e MQL, 
respectivamente. Essa tendência também foi observada para as demais 
profundidades de corte, com variações nos percentuais citados anteriormente. 
Segundo os autores, essa redução significativa do desgaste de flanco médio na 
condição criogênica (LN2) foi devido a um controle dos mecanismos de desgaste por 
aderência e abrasão, resultado de temperaturas mais baixas. Os autores relataram 
que o mecanismo de desgaste encontrado na condição criogênica foi apenas a 
abrasão, enquanto nas outras condições ocorreram adesão e abrasão. 
19 
 
Figura 11. Variação do desgaste de flanco (VBB) com a profundidade de corte para a 
usinagem do aço inoxidável 17-4 PH SS nas condições de lubrirrefregeração Seco, Jorro, 
MQL e Criogênica (LN2). 
 
Fonte: adaptada de Sivaiah e Chakradhar (2018). 
Arun Kumar et al. (2018) também investigaram o efeito do uso de LN2 no 
desgaste de flanco em ferramentas de metal duro revestidas com TiAlN no 
torneamento do aço AISI 4340. O corte ortogonal de barras redondas do aço AISI 
4340 foi realizado em um centro de torneamento Pinacho. A peça bruta foi torneada 
antes do tratamento. O ciclo padrão de tratamento térmico foi realizado e a peça foi 
temperada em óleo. A dureza Rockwell C foi medida e o valor encontrado ficou entre 
56 e 58 HRC. A figura 12 mostra o gráfico do desgaste de flanco em função do tempo 
de usinagem para vc = 100 m/min, f = 0,1 mm/rot e ap = 0,5 mm nas condições 
Criogênica e Jorro. Observa-se que a taxa de desgaste diminui consideravelmente na 
condição Criogênica em relação à condição Jorro. 
20 
 
Figura 12. Desgaste de flanco em função do tempo na usinagem do aço AISI 4340 nas 
condições Criogênica e Jorro. 
 
Fonte: adaptada de Arun Kumar et al. (2018). 
Leadebal Jr. et al. (2019) estudaram a influência da refrigeração criogênica 
com LN2 na vida de insertos de PCBN na usinagem do aço-ferramenta AISI D6 
temperado e revenido. Foram realizados testes de torneamento a seco e com LN2 
aplicado nas regiões das superfícies de saída (SS), de folga (SF) e em ambas as 
superfícies da ferramenta de corte simultaneamente (SS/SF). Os parâmetros vc = 170 
m/min, ap = 0,1 mm e f = 0,1 mm/rot foram mantidos constantes. A figura 13 mostra a 
evolução do desgaste de flanco “VBC” com o percurso de avanço “Lf” para as três 
condições de lubrirrefrigeração citadas anteriormente. Observa-se que a aresta 
testada a seco atingiu o critério de fim de vida, VBC = 250 μm, no 6° passe, 
correspondente a Lf = 525 mm. Já as arestas testadas com lubrirrefrigeração 
criogênica, atingiram o critério de fim de vida no 8º passe (Lf = 725 mm), condições 
SS e SF, 9° passe (Lf = 825 mm), condição SS/SF, mostrando a eficácia do LN2 em 
reduzir a taxa de desgaste da ferramenta de corte nas condições testadas. 
21 
 
Figura 13. Evolução do desgaste de flanco “VBC” em função do percurso de avanço “Lf” e da 
condição de lubrirrefrigeração na usinagem do aço-ferramenta AISI D6 temperado e 
revenido com inserto de PCBN. 
 
Fonte: adaptada de Leadebal Jr. et al. (2019). 
Na maioria dos trabalhos, os autores apresentam como hipótese para a redução da 
taxa de desgaste da ferramenta de corte na condição criogênica, a redução da temperatura 
do processo, que manteria a resistência ao desgaste da ferramenta maior do que na condição 
a seco. Porém, não se apresenta qualquer resultado (de temperatura de corte) que corrobore 
essa hipótese. 
2.2.4. Efeito da refrigeração criogênica na força de corte 
Grande parte das pesquisas realizadas até o momento sobre a influência da 
usinagem assistida por LN2 na força de corte, revela uma queda desta componente 
22 
 
da força de usinagem quando a condição de lubrirrefrigeração Criogênica é 
comparada às condições Seco e Jorro. 
Kaynak, Karaca e Jawahir (2011) investigaram o efeito do uso de LN2 
(aplicado na superfície de saída da ferramenta com pressão de 1,5 MPa) na força de 
corte no torneamento da liga Ni50Ti50 com insertos de metal duro sem revestimento 
(ISO CNGG 120404) para diferentes avanços (0,02 mm/rot, 0,06 mm/rot e 0,1 mm/rot) 
e os demais parâmetros de corte constantes (vc = 80 m/min e ap = 0,65 mm). O material 
usinado foi uma liga de NiTi com propriedades de memória de forma composto 
basicamente de matriz martensítica. A figura 14 mostra os resultados obtidos para 
diferentes valores de avanço. 
Figura 14. Força de corte em função do avanço na usinagem da liga Ni50Ti50 a seco e com 
aplicação de LN2. 
 
Fonte: adaptada de Kaynak, Karaca e Jawahir (2011). 
Observa-se que a usinagem com LN2 produziu valores médios de força de 
corte menores do que a usinagem a seco. Segundo os autores, esperava-se 
inicialmente que o resfriamento proporcionado pela aplicação do fluido criogênico na 
região do flanco da ferramenta, aumentasse a força de corte devido à manutenção de 
uma dureza média (da liga de NiTi) maior nesta condição, do que na condição a seco. 
No entanto, observou-se que a permanência do material na matriz martensítica da liga 
de NiTi, proporcionada pela baixa temperatura do LN2, produziu forças de corte 
menores do que na usinagem a seco. De acordo com os autores, nesta última 
23 
 
condição, a temperatura de corte aumenta a ponto de provocar uma transformação 
da fase martensítica em austenita, promovendo um leve aumento da força de corte 
nesta condição, comparada com a condição criogênica. 
Debnath et al. (2014) relataram diversos trabalhos em que as componentes 
da força que se desenvolvem no torneamento criogênico (LN2) são menores do que 
aquelas desenvolvidas no torneamento a seco. Segundo os autores este 
comportamento se deve à capacidade do fluido criogênico de reduzir o coeficiente de 
atrito na interface cavaco/ferramenta, o quelevaria a uma redução no valor da pressão 
específica de corte (ks) e, consequentemente, da força de corte. 
Arun Kumar et al. (2018) investigaram o efeito do uso de LN2 na força de corte 
no torneamento do aço AISI 4340 com insertos de metal duro revestidos com TiAlN. 
Relatou-se uma redução na força de corte para a usinagem criogênica em relação à 
condição a seco de 18,1% (vc = 100 m/min), 14,03% (vc = 150 m/min) e 11,45% (vc = 
200 m/min). 
Damir et al. (2018) investigaram o efeito da lubrirrefrigeração com LN2 e por 
jorro (com concentração de 5% de óleo) na força de corte produzida no torneamento 
da liga Ti-6Al-4V. Neste caso foram variados os parâmetros de corte: avanço, 
profundidade e velocidade de corte. A figura 15a mostra o resultado obtido para a 
velocidade de corte de 100 m/min e avanço de 0,1 mm/rot, enquanto que a figura 15b 
mostra o resultado obtido para a velocidade de corte de 150 m/min e avanço de 0,2 
mm/rot). 
Figura 15. Força de corte em função da profundidade de corte na usinagem da liga Ti-6Al-
4V nas condições Jorro e Criogênica: (a) vc = 100 m/min, f = 0,1 mm/rot; (b) vc = 150 m/min, 
f = 0,2 mm/rot. 
 
 
Fonte: adaptada de Damir, Sadek e Attia (2018). 
Novamente observa-se menores valores da força de corte para a usinagem 
criogênica em comparação com a usinagem por jorro. De acordo com os autores, a 
24 
 
usinagem criogênica mostrou-se mais efetiva para valores de velocidade de corte e 
avanço maiores. Os maiores valores de força de corte para a condição jorro, 
principalmente quando do uso de parâmetros de corte mais severos, seriam devidos 
às altas temperaturas associadas ao processo nesta condição, o que acarretou em 
maior desgaste na ferramenta de corte. Por outro lado, foram observados níveis de 
força menores com a usinagem criogênica nas mesmas condições de corte. Isso 
destaca que a capacidade de resfriamento do LN2 afeta diretamente o desempenho 
da ferramenta e, portanto, melhora a produtividade. 
2.2.5. Efeito da refrigeração criogênica na forma dos cavacos 
O controle dos cavacos é uma preocupação constante na usinagem. Em 
geral, cavacos longos são indesejados por provocarem prejuízos diversos, 
principalmente ligados à lubrirrefrigeração da zona de corte. O acúmulo de cavacos 
na região peça-ferramenta produz o que se costuma chamar de “efeito guarda-chuva”, 
o qual impede o acesso do fluido às regiões que devem ser lubrirrefrigeradas 
(interfaces cavaco-ferramenta e peça-ferramenta), aumentando a temperatura de 
corte e reduzindo a vida da ferramenta. Adicionalmente, cavacos longos podem 
provocar danos à peça, à ferramenta de corte e à máquina operatriz, além de levar a 
paradas indesejadas na linha de produção (BORDIN et al., 2017). Assim, quanto mais 
fragmentados forem os cavacos produzidos durante a operação de corte, melhor, 
principalmente em operações de corte contínuo, como é o caso do torneamento. 
Via de regra, as investigações sobre usinagem criogênica de diversos 
materiais têm mostrado que o uso de nitrogênio líquido como fluido de corte produz 
cavacos fragmentados, e isso estaria ligado à sua capacidade de se aproximar a 
temperatura de transição dúctil-frágil dos metais. 
Bordin et al. (2017) estudaram o efeito de vários métodos de lubrirrefrigeração 
(LN2, Seco e Jorro com óleo mineral) na forma dos cavacos produzidos na usinagem 
da liga de titânio Ti-6Al-4V. A figura 16 mostra os resultados obtidos para diferentes 
avanços e demais parâmetros de corte constantes (vc = 80 m/min e ap = 0,25 mm). 
25 
 
Figura 16. Efeito do avanço e da condição de lubrirrefrigeração na forma dos cavacos 
obtidos na usinagem da liga Ti-6Al-4V. 
 
Fonte: adaptado de Bordin et al. (2017). 
Observa-se uma variação considerável na forma dos cavacos em função da 
condição de corte. No torneamento a seco, os cavacos apresentaram forma de fita 
rosqueada para o avanço de 0,1 mm/rot e alongada e helicoidal quando o avanço foi 
aumentado para 0,2 mm/rot, como pode ser visto nas figuras 16b e 16e. No caso da 
usinagem por jorro, foram formados cavacos tubulares emaranhados para o avanço 
de 0,1 mm/rot e longos e tubulares para o avanço de 0,2 mm/rot, conforme mostram 
as figuras 16c e 16f. Neste caso, nos testes realizados com aplicação do fluido de 
corte por jorro e com menor avanço (0,1 mm/rot), foram produzidos cavacos mais 
curtos do que no torneamento a seco com o mesmo avanço. De acordo com os 
autores, isso aconteceu por causa da ação mecânica exercida pelo jato do fluido de 
corte nesta condição de lubrirrefrigeração. Ainda segundo os autores, um melhor 
controle de cavacos foi obtido ao aplicar LN2. A justificativa apresentada foi que a 
baixa temperatura do LN2 reduz a plasticidade do material em usinagem, diminuindo 
a capacidade de deformação sem fratura deste. As figuras 16a e 16d mostram os 
cavacos formados na usinagem criogênica com avanços de 0,1 e 0,2 mm/rot, 
respectivamente. Em ambos os casos, nenhum emaranhamento de cavacos se 
formou ao redor do porta-ferramenta, melhorando a retirada destes da área de 
trabalho. 
Leadebal Jr. et al. (2018) apresentaram resultado semelhante na usinagem 
criogênica do aço ferramenta AISI D6 temperado e revenido. Eles observaram uma 
26 
 
tendência de fragmentação dos cavacos nas condições em que houve aplicação de 
LN2 na zona de corte, como pode ser visto na figura 17. 
Figura 17. Tipos de cavacos com aplicação de LN2 na superfície de saída (SS), superfície de 
folga (SF), em ambas as superfícies (SS/SF) e Seco. 
 
Fonte: adaptado de Leadebal Jr. et al. (2018). 
Já Kaynak e Gharibi (2018) apresentaram resultados diferentes relativos ao 
tipo de cavaco formado na usinagem do aço AISI 4140 sob as condições de 
lubrirrefrigeração seco, LCO2, LCO2+MQL e LN2. A barra cilíndrica tinha 50 mm de 
diâmetro e 80 mm de comprimento quando laminado a frio com dureza de 25 HRC. 
Ela foi aquecida a 815 °C, depois foi resfriada em óleo e temperada em banho de sal 
a 580 °C por 1 h. Após o tratamento térmico, sua dureza foi medida e obteve-se 42 
HRC. Os autores observaram cavacos contínuos e longos nas condições a seco e 
com LN2, enquanto que na usinagem assistida por dióxido de carbono (LCO2 e 
LCO2+MQL), os cavacos se apresentaram fragmentados, como pode ser visto na 
figura 18. 
27 
 
Figura 18. Efeito das diferentes condições de lubrirrefrigeração na forma dos cavacos 
obtidos na usinagem do aço AISI 4140. 
 
Fonte: adaptado de Kaynak e Gharibi (2018). 
 De acordo com os autores, a razão para a formação de cavacos 
fragmentados nas condições LCO2 e LCO2+MQL provavelmente estaria associada à 
temperatura de transição dúctil-frágil do aço AISI 4140, que se encontra na faixa entre 
entre −40 e −20 oC. Como a temperatura do LCO2 é em torno de –78 oC, seria muito 
provável que durante a usinagem assistida com este fluido, a superfície do material 
da peça tenha atingido sua temperatura de transição dúctil-frágil promovendo, desta 
forma, a fratura dos cavacos. Os autores não deram qualquer explicação para os 
cavacos não saírem quebradiços na usinagem com LN2, visto que a temperatura 
nesse processo é bem mais baixa do que com LCO2. 
Diante do que foi apresentado, pode-se concluir que a usinagem criogênica, 
principalmente usando o LN2, além de promover melhorias técnicas no processo de 
usinagem, vem sendo considerada uma técnica sustentável pois reduz impactos 
ambientais quando comparado com os fluidos convencionais à base de óleo mineral. 
Embora apresente as vantagens anteriormente apresentadas, o LN2 ainda 
não é amplamente usado na usinagem. Acredita-se que o motivo ligado a este fato 
esteja relacionado à desconfiança dos profissionais da indústria no que se refere à 
relação custo/benefício da técnica, o que exige que mais pesquisas sejam realizadas, 
não somente com respeito aos aspectos técnicos, como também aos aspectos 
econômicos. 
O item que segue aborda alguns aspectos econômicosligados à usinagem e 
ao uso de fluidos criogênicos no processo. 
28 
 
 ASPECTOS ECONÔMICOS 
De acordo com Walker (2013), cerca de 16% do custo total de usinagem está 
relacionado ao uso de fluidos de corte convencionais. Isso representa quatro vezes o 
custo com ferramentas (4%). Desse percentual relacionado ao fluido de corte (16%), 
22% é gasto com o seu descarte. 
Para apresentar os custos exatos com fluidos de corte é preciso realizar uma 
análise mais complexa. Segundo Benedicto et al. (2017), para se avaliar o custo total 
de um sistema de aplicação de fluidos de corte, deve-se levar em conta os seguintes 
fatores: 
● Custo de aquisição do fluido de corte; 
● Custo referente ao consumo de energia; 
● Custo das tarefas de manutenção associadas ao bombeamento, 
limpeza e reabastecimento do sistema; 
● Custo com a limpeza de peças e custos de operações secundárias para 
remover a camada de óleo lubrificante (óleo destinado à lubrificação 
dos barramentos da máquina e outras partes) da superfície do fluido de 
corte, evitando sua contaminação; 
● Custo da água para diluir o fluido de corte e compensar as perdas por 
evaporação. Obs.: Este custo pode variar muito dependendo da 
qualidade da água necessária; 
● Custos associados à reposição do fluido devido ao arraste deste com 
os cavacos e a peça; 
● Custo com o sistema de recirculação e filtragem do fluido; 
● Custos de manutenção associados aos aditivos usados para prolongar 
a vida útil dos fluidos; 
● Custos de tratamento e descarte do fluido. 
Como pode ser visto, no caso da usinagem assistida por LN2, apenas os 3 
primeiros fatores devem ser levados em consideração. 
Benedicto et al. (2017) ainda apresenta a tabela 2, que mostra de forma 
qualitativa, uma comparação entre os custos de matéria-prima, consumo, 
equipamentos, limpeza e descarte para diferentes sistemas de lubrirrefrigeração. 
 
29 
 
Tabela 2. Comparação entre os custos de diversos sistemas de lubrirrefrigeração. 
 Matéria 
prima 
Consumo 
de fluido 
Equipamento Ferramenta Limpeza Descarte 
Fluidos de corte Baixo Muito Alto Alto Médio Muito Alto Muito Alto 
Usinagem a 
seco 
Muito 
baixo 
Muito baixo 
Muito 
baixo 
Muito Alto 
Muito 
baixo 
Muito 
baixo 
MQL Baixo Baixo Médio Baixo Baixo Baixo 
Lubrificantes 
Sólidos 
Alto Médio Médio Médio Médio Alto 
Resfriamento 
Criogênico 
Médio Médio Muito Alto Médio 
Muito 
baixo 
Muito 
baixo 
Resfriamento a 
gás 
Médio Médio Alto Alto 
Muito 
baixo 
Muito 
baixo 
Fluidos 
biodegradáveis 
Médio Alto Alto Baixo Alto Médio 
Nanofluidos 
Muito 
Alto 
Alto Alto Médio Alto Muito Alto 
Fonte: Adaptado de Benedicto, Carou e Rubio (2017). 
Observa-se que o custo mais crítico para o resfriamento criogênico, por 
exemplo, é com a aquisição do equipamento. 
Hong et al. (2000) utilizaram um sistema de aplicação de LN2, com um custo 
total de aquisição de US$ 12.150,00 (R$ 45.927,00 – valor em reais calculado com 
cotação do dólar no dia 15/11/2018 a R$ 3,78). Entretanto, 17 anos depois, Leadebal 
Jr. (2017) utilizou um sistema com insumos de cerca de R$ 5.800,00. Acredita-se que 
este custo possa cair ainda mais à medida que a técnica seja aprimorada, com a 
otimização dos equipamentos em termos de vazão e pressão necessárias, por 
exemplo, e com uma maior difusão da técnica no meio industrial. 
A principal desvantagem dessa alternativa de usinagem, além de custos 
adicionais de equipamentos, é o preço relativamente alto do LN2 que, ao usar o 
resfriamento criogênico, não é reutilizável como é o caso no método convencional 
Um outro ponto chave na busca de uma maior economia na aplicação do 
nitrogênio líquido como fluido de corte estaria relacionado à definição da quantidade 
mínima necessária de LN2 para a obtenção de um tempo de vida da ferramenta de 
corte satisfatório (LU e JAWAHIR, 2015). 
O item que segue descreve os materiais e métodos usados no presente 
trabalho. 
 
 
30 
 
3. MATERIAIS E MÉTODOS 
Neste capitulo são apresentados os materiais, ferramentas, máquinas e 
equipamentos utilizados nesta pesquisa, bem como os procedimentos adotados para 
a realização dos experimentos. 
Os experimentos realizados seguiram o fluxograma apresentado na figura 19, 
caracterizando-se como um resumo geral do que foi feito nesta pesquisa. 
Figura 19. Fluxograma dos testes experimentais e análises realizadas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A seguir, faz-se um detalhamento de cada um dos itens apresentados no 
fluxograma da figura 19 no que se refere aos materiais usados e procedimentos 
adotados. 
3.2. Medição da vazão mássica de LN2 
no sistema modificado (Ver Tab. 03) 
TORNEAMENTO DO AÇO AISI D6 TEMPERADO E REVENIDO NAS CONDIÇÕES 
SECO, JORRO E LN2: UMA ANÁLISE TÉCNICO-ECONÔMICA 
3.7. Análise econômica 
 
3.1. Modificação do sistema de 
retirada de LN2 do reservatório 
3.5. Análise por MEV do 
desgaste dos insertos 
Imagem e EDS 
 
3.6. Análises por MEV dos 
cavacos 
 Imagem e EDS 
 
3.3. Análises do material 
dos insertos 
Imagem, EDS e DRX 
 
3.4. Testes de torneamento 
vc = 100 m/min 
ap = 0,3 mm 
f = 0,1 mm/rot 
 
Seco 
Jorro 
Emulsão óleo mineral 10% 
Vazão de 212 l/h 
LN2 
Vazões de 79, 51 e 21l/h 
Variáveis 
monitoradas 
Desgaste de flanco 
(VBC) e vida da 
ferramenta de corte; 
aspectos gerais dos 
cavacos 
31 
 
3.1. MODIFICAÇÃO DO SISTEMA DE RETIRADA DE LN2 DO RESERVATÓRIO 
O sistema de entrega de LN2 usado nesta pesquisa foi configurado a partir do 
equipamento desenvolvido por Oliveira (2015) e Leadebal Jr. (2017). Nesse caso, o 
sistema é composto de um botijão para armazenamento de LN2 isolado à vácuo com 
capacidade de 30 litros e pressão máxima de trabalho de 2 bar, conforme a figura 20. 
Observa-se que na boca do botijão está acoplada uma tampa dotada de um 
manômetro (para monitoramento da pressão interna do botijão), um ponto de entrada 
de ar comprimido (para pressurização interna do botijão e retirada do LN2), um ponto 
de saída de LN2, uma porca (para fechamento e vedação do botijão) e duas válvulas 
de alívio (para controle da pressão interna). 
Figura 20. Botijão de armazenamento de LN2 e detalhes de sua tampa de fechamento. 
 
 
Abaixo da tampa do botijão, fazendo parte desta, encontram-se dois tubos 
(figura 21). O de diâmetro maior (e de menor comprimento) está ligado ao ponto de 
entrada de ar comprimido e o de diâmetro menor (e de maior comprimento), 
denominado “pescador” está ligado ao ponto de saída de LN2. Assim, quando o 
botijão, preenchido com LN2, é vedado pelo fechamento de sua tampa por meio do 
aperto da porca contra o seu bocal e ar comprimido é injetado pelo ponto de entrada, 
a pressão interna do recipiente aumenta e empurra a superfície do fluido de LN2, 
32 
 
forçando o nitrogênio líquido a sair pelo tubo de menor diâmetro até o ponto de 
descarga. 
Figura 21. Tubos de entrada de ar e de saída de nitrogênio líquido do botijão de LN2. 
 
 
A figura 22 mostra um esquema do funcionamento do sistema usado por 
Oliveira (2015) e Leadebal Jr. (2017). 
Figura 22. Esquema de funcionamento do sistema de entrega de LN2 usado por Oliveira 
(2015) e Leadebal Jr. (2017). 
 
 
Após a saída do LN2 do reservatório, o mesmo segue em direção à válvula 
criogênica conectada ao bocal do botijão e à mangueira isolada à vácuo, que por sua 
vez conduz o fluido até um manifold dotado de duas válvulas de agulha que 
33 
 
direcionam o nitrogênio líquido para as regiões das superfícies de saída e de folga da 
ferramenta de corte (figura 23). 
Figura 23. Caminho percorrido pelo LN2 do reservatório de armazenamento até às 
superfícies de saída e de flanco da ferramenta de corte. 
 
 
Com o sistema descrito anteriormente, o levantamento do consumo de LN2 
através da medição de sua vazão mássica, ficaria comprometido devido à entrada 
contínua de ar comprimido no sistema, o qual se misturaria à massa de nitrogênio 
(líquido