Temperatura no processo de usinagem E Fluidos de corte

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UNIVESIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E ENGENHARIAS
ENGENHARIA DE MATERIAIS
Temperatura no processo de usinagem 
E 
Fluidos de corte
Marabá – PA
2016
UNIVESIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E ENGENHARIAS
ENGENHARIA DE MATERIAIS
HANNA BARROS DA COSTA
Temperatura no processo de usinagem 
E 
Fluidos de corte
Marabá – PA
2016
INTRODUÇÃO 
Experimentalmente verifica-se que os trabalhos provenientes da deformação da raiz do cavaco durante usinagem e dos atritos envolvidos, são transformados em calor. Por consequência a temperatura da ferramenta se elevara, de acordo com o calor especifico e a condutibilidade dos corpos envolvidos. 
O estudo das condições de formação de calor e suas condições de transmissão permite determinar as dimensões e as formas mais convenientes das ferramentas, além de um melhor regime de trabalho e durabilidade de corte entre duas afiações.
Nestas condições é onde surgem os fluidos de corte, alguns elementos ou compostos que entra em jogo no processo de usinagem dos metais, com a finalidade de proporcionar alguma melhoria. Essas melhorias buscam o melhor desempenho nos mecanismos de formação do cavaco e menor desgastes das ferramentas utilizadas.
TEMPERATURA NO PROCESSO DE USINAGEM
Praticamente toda energia mecânica associada a formação do cavaco se transforma em energia térmica. As fontes geradoras são a deformação e o cisalhamento do cavaco, o atrito do cavaco com a ferramenta e o atrito da ferramenta com a peça.
Conhecer as temperaturas de corte é importante, porque altas temperaturas reduzem a vida da ferramenta. Produzem cavacos quentes que colocam em risco a segurança do operário da maquina e pode causar imprecisões nas dimensões da peça, devido a expansão térmica do material.
Essa energia é dissipada através do cavaco, da peça, da ferramenta e do fluido de corte. Existem vários métodos analíticos para calcular estimativas da temperatura de corte. Alguns dos métodos práticos mais utilizados atualmente para medição da temperatura são:
Medida da temperatura pelo método calorimétrico
Medição da temperatura do gume cortante através de termopares colocados na ferramenta;
Determinação da temperatura de corte através vernizes termosensíveis;
Medida da temperatura pelo método calorimétrico
A temperatura media do cavaco pode ser determinada aproximadamente pelo calorímetro de agua. para tanto, mede-se a temperatura inicial da água; usina-se a peça com rasgos axiais; mede-se a temperatura final da água após um tempo previamente determinado; pesa-se o cavaco após a sua secagem. A temperatura do cavaco e determinada pela equação do calorímetro:
Onde:
: massa de cavaco, em gr;
C: calor especifico
: temperatura do cavaco, em ºC
:temperatura final da agua e do calorímetro, em ºC
: massa da água no calorímetro, em gr
:massa equivalente do calorímetro, em gr
: calor especifico do calorímetro
:temperatura inicial da água e do calorímetro
Medição da temperatura do gume cortante através de termopares colocados na ferramenta
Este método permite registrar a variação da temperatura com o tempo, em diferentes pontos da ferramenta. São executados na ferramenta furos de diâmetros pequeníssimos, onde são colocados os termo-pares.
Determinação da temperatura de corte através vernizes termosensíveis
Segundo este método, aponta da ferramenta é revestida com um material especial que apresenta a propriedade de mudar de cor com a temperatura. Este revestimento pode ser realizado com lápis indicador de temperatura. Com auxilio desse método, pode-se controlar a vida das ferramentas, que se baseia no principio seguinte:
Cargas iguais nas arestas das ferramentas originam iguais temperaturas; arestas mais carregadas aquecem-se mais, a menos carregada aquece-se menos.
FLUIDOS DE CORTE
Os fluidos de corte podem ser: sólidos, líquidos e gasosos. Com finalidade de proporcionar melhorias no processo de usinagem. Essa melhoria pode ser em caráter funcional ou caráter econômico. O funcional é constatado pelo melhor desempenho no mecanismo de formação do cavaco, pela facilidade de expulsão do cavaco produzido na região de corte, pela maior possibilidade de se obter as dimensões desempenhadas na peça da obra, etc. a melhoria econômica é constatada pelo menor consumo de energia durante o processo, menor desgaste da ferramenta; resultando um menor tempo passivo e menor custo da ferramenta por peça produzida.
O primeiro pesquisador que constatou e médio a influencia de fluido de corte durante um processo de usinagem foi o americano F. W. Taylor (1984). Essa verificação ocorreu jorrando grande quantidade de agua na região da peça-ferramenta-cavaco, conseguindo então aumentar a velocidade de corte sem prejuízo para a vida da ferramenta.
Funções dos fluidos de corte
A função do fluido de corte é introduzir uma melhoria no processo de usinagem dos metais. Essa melhoria pode ser de caráter funcional ou econômico.
As melhorias de caráter funcional são aquelas que facilitam o processo, proporcionando um melhor desempenho. Distinguindo-se em:
Redução de coeficiente de atrito entre ferramenta e o cavaco; da região de corte;
Expulsão do cavaco;
Refrigeração da ferramenta;
Refrigeração da peça em usinagem;
Refrigeração da maquina-ferramenta.
Já as melhorias de caráter econômico são aquelas que induzem a um processo mais econômico. Distinguindo-se em:
Redução do consumo de energia de corte
Redução do custo da ferramenta
Atrito entre ferramenta e o cavaco
Durante o processo da formação do cavaco aparecem três fontes especificas de calor. A primeira na região de cisalhamento onde ocorre a deformação plástica do material usinado, esse calor afeta todo o volume do cavaco formado. A segunda fonte de calor afeta uma face do cavaco e uma face da ferramenta onde o cavaco desliza sobre a superfície da ferramenta, esse calor provem do atrito na interface ferramenta-cavaco. A terceira fonte é a zona onde ocorre o atrito entre ferramenta e a superfície usinada da peça, esta fonte afeta parte da superfície da ferramenta e toda a superfície usinada da peça.
A melhoria nesse processo, pelo uso de fluido de corte, é predominantemente de caráter lubrificante e redução da intensidade das três fontes de calor. Na primeira região a redução é evidente, pois a lubrificação diminui o coeficiente de atrito na interface ferramenta-cavaco. Na segunda região ocorre a mesma situação da primeira, em relação à ferramenta e a peça. Já na terceira região a redução do calor se faz pelo seguinte fato: a diminuição do coeficiente de atrito (entre ferramenta e o cavaco) provoca o aumento do ângulo de cisalhamento e por consequência uma diminuição do grau de deformação, e essa diminuição gera um decréscimo da energia de deformação por cisalhamento e consequentemente o arrefecimento da quantidade de calor gerada.
Expulsão do cavaco da região de corte
No processo de usinagem o cavaco se torna indesejável. Sua presença na região de corte pode provocar danificações na ferramenta ou na própria superfície da peça usinada. 
O fluido de corte facilita a expulsão do cavaco em alguns casos (torneamento, furação, fresamento) e em outro e responsável pela total expulsão (retificação plana, mandrilamento, alargamento, etc)
Refrigeração da ferramenta
As três fontes de calor descritas anteriormente contribuem para o aumento da temperatura da ferramenta, assim como o material da peça em usinagem. 
Na relação entre a temperatura e a dureza da ferramenta, observa-se que o aumento da temperatura provoca a diminuição da dureza superficial da ferramenta, comprometendo o desempenho da mesma. 
O controle no aumento da temperatura de corte significa uma melhoria no desempenho da função da ferramenta, sendo assim um fluido de corte escolhido adequadamente devera agir como protetor da ferramenta. 
Refrigeração da peça em usinagem
Das três fontes decalor já descritas, duas afetam diretamente a peça de usinagem. Resultando um aumento da temperatura da peça. Este aquecimento conduz quatro fatores indesejáveis na operação de usinagem:
Deformação da peça, devido às tensões oriundas de grandes aquecimentos locais;
Cores de revenido na superfície usinada, que é o caso da usinagem por abrasão;
Falseamento das medidas da peça em trabalho, o caso onde a peça apresenta medidas diferentes quando aquecidas em relação ao estado de temperatura ambiente.
Dificuldade para o operador manusear a peça usinada: retira-la da maquina, transporta-la, etc.
Visando tais fatores, os fluidos de corte devem ser usados em abundancia na refrigeração da peça em usinagem.
Refrigeração da maquina-ferramenta
Quando a usinagem é feita sob especificações mais rigorosas principalmente em maquinas automáticas, os problemas dos efeitos térmicos se colocam em evidencia. Bryan e McCure apontaram diversas fontes de calor que afetam a precisão do funcionamento da maquina, a partir dessa direção recomendam a refrigeração em todas as fontes de calor possíveis; através da ferramenta, da peça ou do cavaco que podem afetar as dimensões na maquina e prejudicar as medidas finais da peça.
Redução do consumo de energia de corte
O uso de fluidos de corte no processo de usinagem carreta uma redução do consumo de energia de corte. O menor coeficiente de atrito na interface ferramenta-cavaco (propiciado pelo fluido – lubrificante) diminui o grau de recalque e consequentemente a força de usinagem.
Redução no custo da ferramenta na operação
O custo da ferramenta na operação de usinagem esta ligado à capacidade de produção durante sua vida útil. Uma ferramenta terá menor custo quando maior for a sua produção.
Como é conhecida, a vida útil tem por determinante o desgaste da ferramenta. Todo processo que vise aumentar a vida útil devera diminuir o desgaste da ferramenta. Esse desgaste vem por determinação de ação abrasiva e difusão metálica.
Penetração do fluido de corte
Com finalidade de cumprir com suas funções, os fluidos de corte devem comparecer nos locais e instantes necessários. Seguindo o mecanismo de penetração dos elementos sólidos, líquidos e gasosos.
Penetração dos sólidos
Os sólidos utilizados são de duas formas distintas:
Lubrificante solido – pó aplicado diretamente na superfície de saída da ferramenta, antes da operação de usinagem. Geralmente usa-se como veiculo uma graxa ou óleo viscoso. As minúsculas partículas aderem aos sulcos da rugosidade superficial da superfície de saída da ferramenta e ai desempenham suas funções de reduzir o coeficiente de atrito.
 Aditivo metalúrgico – são elementos adicionados durante a fabricação do metal que vai ser usinado. Esses elementos introduzidos na estrutura cristalina do metal conferem uma usinabilidade mais fácil devida a sua ação de lubrificante interno, ação de redução das pressões e soldagens locais na interface ferramenta-cavaco.
Penetração dos líquidos
Os líquidos utilizados como fluidos de corte apresentam, em alguns casos, serias dificuldades para desempenhar suas funções. Para que se cumpra seu papel o liquido deve penetrar na interface ferramenta-cavaco, ate a ponta da ferramenta. Existem duas vias para o liquido atingir a região necessária, são elas:
Através da superfície de saída – é o meio mais empregado. Posiciona-se um jato de fluido que cobre toda a superfície de saída da ferramenta e o cavaco nascente.
Através da superfície de folga – é o meio que tem proporcionado melhores resultados em ensaios comparativos com o da superfície de saída.
O mecanismo de penetração é o mesmo em ambos os casos. Apesar dos movimentos adversos do cavaco e da peça os resultados de, nas baixas velocidades, afirmam a penetrabilidade dos fluidos de corte na interface ferramenta-cavaco.
Penetração dos gases
A penetração dos gases ocorre da mesma forma que dos líquidos, porem mais facilmente. Neste caso o jato é direcionado na região da interface com alta pressão. A penetrabilidade é comprovada pelos resultados dos ensaios dos pesquisadores Pigott e Colwell, Brosheer, Pahlitzsch.
Ação dos fluidos de corte
Os fluidos de corte desempenham seus objetivos de melhorar o processo de usinagem, operando fisicamente em alguns casos e quimicamente em outros. Em alguns casos a ação química é responsável pela única melhoria, em outros divide papel com a ação física e, finalmente, outros casos a ação física é determinante.
Os fluidos de corte são tratados de acordo com seu estado físico, assim tem-se:
Ação dos sólidos
Os fluidos de corte utilizado no seu estado solido, pode ser:
Física – quando sua função é apenas a de reduzir o coeficiente de atrito na interface ferramenta-cavaco. É o caso da aplicação de uma fina camada de grafite, de bissulfeto de molibdênio na superfície de saída da ferramenta.
Química – quando sua função é de reagir com algum elemento ou elementos no processo de usinagem, tendendo em vista a redução do coeficiente de atrito na interface ferramenta-cavaco. É o caso típico das adições de enxofre ao aço de corte fácil. Este composto tem duas funções: a de servir como lubrificante interno evitando tensões que ocasionem micro-soldagens na interface; a de decompor-se quando aquecido em presença do ar, produzindo sulfato de ferro, que depositado sobre a superfície da ferramenta, a protege e evita a micro-soldagem e diminui o coeficiente de atrito.
Ação dos líquidos
Em contra partida com os sólidos, a ação dos líquidos além de diminuir o coeficiente de atrito, expulsa o cavaco da região de corte e refrigera as partes atuantes na operação de usinagem.
Os líquidos apresentam uma grande variedade de tipos e combinações para resolver cada caso de usinagem.
Física – ocorre na redução do coeficiente de atrito e na refrigeração das partes envolvidas. A refrigeração é considerada por dois seguimentos: retirando o calor das fontes do processo e carregando-o consigo; consumindo calor para mudar do estado liquido para o estado gasoso.
Química – ocorre quando os líquidos contem elementos suscetíveis de reagir com elementos constituintes do metal de usinagem, na superfície nascente do cavaco em contato com a ferramenta. Esta ação é importantíssima na redução do coeficiente de atrito da interface ferramenta-cavaco.
Ação dos gases
A ação dos gases é principalmente a de refrigeração, sendo essa uma ação física o mesmo ainda apresenta ações químicas.
Físicas – existe quando o gás refrigera a ferramenta, a peça ou as partes ligadas ao processo de usinagem. A retirada de calor, neste caso, não é tão efetiva quanto a ocorrente no estado liquido, devido a baixa capacidade calorifica dos gases. Sendo em parte compensado com pressões e velocidades altas e temperaturas baixas.
Química – ocorre quando os elementos contidos nos gases e na superfície nascente do cavaco reagem produzindo um composto que se interpõe ao cavaco e superfície de saída da ferramenta.
Tipos de fluidos de corte
Os tipos de fluidos de corte são estabelecidos dentro dos conceitos nos estados físicos para os fluidos de corte, sendo assim são distribuídos em três grupos segundo seu estado físico: sólidos, líquidos e gasosos.
Sólidos 
A utilização dos sólidos visa apenas à lubrificação no processo de usinagem. Como no caso do grafite e do bissulfeto de molibdênio que são aplicados sobre a superfície de saída da ferramenta antes de iniciar o processo de corte.
Líquidos 
Os líquidos constituem o maior grupo, o mais importante e também o mais largamente empregado. Os fluidos líquidos podem ser subdivididos em:
Óleos de corte puro;
Óleos emulsionáveis (solúveis);
Fluidos químicos.
Óleos de corte puro 
São assim chamados os óleos de corte que não são misturados com agua para o uso na operação de usinagem. Estão disponíveis em uma variedade muito grande que vai desde o óleo mineral puro ate os compostos especiais.
Conforme sua atividade química em reagir com superfície metálica, os óleos de corte puro podem ser classificados comoativo e inativos: óleos ativos são aquele que ataca a superfícies, escurecendo-a, de uma pequena barra de cobre nele imersa durante 3 horas a uma temperatura de 100ºC; óleos inativos são aqueles que nas condições citadas anteriormente não escurece a superfície da barra de cobre.
	Óleos ativos
	Óleos inativos
	Óleos minerais sulfurados
	Óleos minerais puros
	Óleos minerais clorados-sulfurados
	Óleos graxos (toicinho e baleia)
	Composto de óleos graxos sulfurados ou clorados sulfurados
	Composto de mineral e graxo
	
	Composto de minerais e graxos sulfurados
	
	Composto de minerais e graxos sulfurado-colorado
Óleos emulsionáveis (óleos solúveis)
Visando o aspecto da refrigeração, o fluido deveria apresentar três propriedades básicas:
Alto calor especifico;
Alta condutibilidade térmica;
Alto calor de vaporização.
A partir deste ponto de vista, nenhum óleo de corte puro (nem seus compostos) está entre os melhores fluidos de corte, pois não são os mais efetivos para a remoção do calor gerado no processo.
A agua é um dos meios mais efetivos para refrigeração. Entretanto em seu estado natural apresenta desvantagens: oxidação nas parte atuantes e apresenta baixo valor de lubrificação. Tais desvantagens, no entanto, podem ser removidas através de aditivos. O resultado é uma emulsão estável que recebe o nome de óleo emulsionável ou solúvel. E os principais tipos são:
Óleos minerais emulsionáveis – compostos de óleo mineral leve com aditivos para torna-los emulsionáveis na agua; boa capacidade anti-oxidante; suficiente lubrificação; baixo custo.
Óleos emulsionáveis supergraxos – similares ao anterior, apenas mais oleosos devido a adição de óleos graxos. Utilizados para usinagens mais severas.
Óleos emulsionáveis de extrema pressão – contem aditivos de extrema pressão, com enxofre, cloro, fosforo e também gorduras. Um óleo com características próprias para usinagens severas, para as quais os anteriores não poderiam satisfazer.
Fluidos de corte químico 
Chamados também de fluidos sintéticos e compõem os mais novos no ramo de fluidos cortantes. São constituídos de agentes químicos em água. A maioria tem características de fluido refrigerante e alguns também apresentam poder lubrificante. Via de regra, não contem óleo mineral na sua composição. Os agentes químicos que compõe estes fluidos são:
Aminas e nitritos – para impedir a corrosão;
Nitratos – para estabilizar os nitritos;
Fosfatos e boratos – para baixar a dureza da agua;
Sabonetes e agentes de molhabilidade – para lubrificação tensão superficial;
Compostos de enxofre, cloro e fosforo – para lubrificação química;
Glicóis – para agente aglomerante e umidificante;
Germicidas – para controlar a proliferação de bactérias.
Gasosos
Os fluidos de corte gasoso visam principalmente a refrigeração e a expulsão do cavaco na operação de usinagem. Não se deve esperar desta classe efeitos de lubrificação nem do impedimento a corrosão das partes acessíveis.
Destacam-se os fluidos:
Ar 
Apresenta pequena capacidade de refrigeração, quando comparados com fluidos de corte. Contudo, quando aplicados sob pressão, a temperaturas abaixo de 0ºC, os resultados são satisfatórios.
Dióxido de carbono
No seu ponto de sublimação, cerca de 78ºC, o dióxido de carbono apresenta-se como um refrigerante de ação rápida, capaz de extrair grande parte do calor gerado no processo de usinagem. O custo do dióxido de carbono é muito alto, por isso o seu emprego demanda velocidades altas e grande remoção de cavaco.
Outros gases
Outros gases também podem ser usados como refrigerantes nas operações de usinagem. O nitrogênio é um deles, e apresenta resultados positivos em operações de torneamento e operações feitas com ferramenta de corte. O trifluorbromometano apresenta uma ação efetiva em uma larga faixa de velocidade de corte.