MAQUINAGEM ECOLÓGICA: FURAÇÃO DE ALUMÍNIO CÕMLUBRIFICAÇÃO MÍNIMA

J. Paulo Davim 1,Pedro Reis 2

Dept Eng. Mecânica, Universidade de Aveiro, Campus Universitário de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugallei: +351 234 370830 ; Fax +351 234 370953 temail: Pdavim@mec.ua.pt2 emaii : pedroreis@mec.ua.pt

Neste artigo pretende-se apresentar um estudo comparativo sobre a influência do tzpo delubrificação (a seco, mínima (250 ml.K’) e abundante (120000 ml.K’)) no processo de corte(Pressão espec(fica de corte) e na qualidade superficial. Os ensaios de furação foramrealizados - em provetes de alumínio “Puro comercial “. Através de um dinamómetropiezoeléctrico foram medidas as forças de corte, nomeadamente o momento (lvi) e força deavanço (fa). Posteriormente efectuaram-se medições da rugosidade média aritmética (Ra)nos furos passantes. Os resultados óbtidos demonstraram que a lubrificação mínimaapresenta vantagens relativamente à abundante dado que do ponto de vista do processo,pressão espec(fica de corte (Ks) e da peça (precisão dimensional) são semelhantes, mas doponto de vista ecológico (ambiental) a lubrflcação mínima apresenta inúmeros beneficios.

1. INTRODUÇÃO

Actualmente, a maioria das operaçõesde maquinagem por arranque de aparaempregam fluídos de corte. Contudo, a suautilização indiscriminada causa maleficiosdo ponto de vista ecológico (ambiental).

Segundo Byers, 1994, os fluídos decorte podem ser designados porrefrigerantes ou lubrificantes. O termorefrigerante foi proposto pelosinvestigadores após f. W. Taylor terverificado que a vida da ferramentamelhorava com a aplicação de água. Otermo lubrificante surgiu com a introduçãode óleos.

O emprego da lubrificação/refrigeraçãonas operações de corte de maquinagemapresentam dois objectivos distintos: a

redução do coeficiente de atrito (acçãolubrificante) e a diminuição da temperatura(acção refrigerante). (Davim J.P., 1995).

A aplicação de um fluído de corte nazona de formação da apara permite ummelhoramento na vida da ferramenta, noacabamento superficial e na facilidade deremoção e transporte das aparas, ou seja,melhoria na eficiência do processo decorte.(Sokoviá, M. e Mijanovié, K., 2001)

No entanto, o emprego massivo dosfluídos de corte origina uma série, dedesvantagens, que além de representarmaleficios para a saúde do operador e parao meio ambiente, têm implicações ao nívelde custos de produção, já que os custosrelacionados com a aquisição, manutençãoe gestão dos fluídos são elevados.

RESUMO

101

Segundo Sanz C. e Fuentes, E., 2001, ocusto relacionado com o fluído de corte esua gestão é superior ao custo relacionadocom a ferramenta de corte.

Na tentativa da redução da quantidadede fluídos de corte presentes namaquinagem, com o objectivo de melhorara compatibilidade entre o meio ambiente eas máquinas-ferramenta, foi introduzido oconceito de lubrificação mínima. Baseia-sena técnica da diminuição da quantidade defluído de corte, denorninãda porlubrificação mínima (Minimal QuantityLubrication — MQL), utilizando fluídos decorte bi5degradáveis e não tóxicos.(Sokovié, M. e Mijanovié, K., 2001)

A maquinagem. a seco pode ser umaalternativa desejada ecologicamente devidoás leis de protecção ambientais e aosregulamentos de segurança e saúde sendovista como uma prióridade das empresasnum futuro próximo. No entanto, amaquinagem a seco apenas vai ser aceiteno meio industrial quando a qualidade doproduto e tempos de maquinagem foremsemelhantes aos encontrados namaquinagem com lubrificação. (Sreejith,P.S., e Ngoi, B.K.A, 2000)

Os fluídos de corte são necessários namaquinagem de materiais como as ligas dealumínio e a maioria dos aços de baixadureza que tendem a aderir à ferramenta decorte. Como tal foi dada especial atençãoao desenvolvimento da técnica dalubrificação mínima (MQL).

Recentemente, vários investigadorës,(Braga et ai., 1999, Sreejith and Ngoi,2000, Sokovié and Mijanovié, 2001, Bragaet ai., 2002, Kelly and Cotterell, 2002)dedicaram-se ao estudo da influência dalubrificação na furação de alumínio econcluíram que o futuro da lubrificação nafliração passa pela utilização damaquinagem a seco e da lubrificaçãomínima (MQL). A utilização dalubrificação mínima conduz por um lado auma qualidade do furo semelhante à obtidacom lubrificação abundante e por outrolado as evidentes vantagens do ponto devista ecológico e ambientai.

Braga et ai. (1999), efectuaram urnapesquisa no sentido de restringir aomáximo o uso do fluído de corte namaquinagem. Para tal, desenvolveram umestudo com o objectivo de comparar ocaudal de óleo utilizado no processo delubrificação mínima com a lubrificaçãoabundante para analisar a eficiência docaudal. Os resultados obtidosdemonstraram que a maquinagem com umcaudal mínimo de óleo foi mais eficazquando comparada com a lubrificação coma lubrificação, abundante. Tambémverificaram que o uso da técnica delubrificação ar-óleo, com um caudalmínimo de 0 ml.h’ foi suficiente paragarantir a qualidade do furo.

Kelly, J. e Cotterell, M., (2002),efectuaram uma série de ensaios utilizandovários métodos de lubrificação comdiversos parâmetros de corte com oobjectivo de chegar a uma solução óptimapara a furação das ligas de alumínio (ACP5080). Os resultados obtidos, sugerem queo futuro da lubrificação na furação passapela técnica da lubrificação mínima.

Braga et al. (2002), verificaram que omelhoramento das ferramentas decarbonetos sinterizados revestidos e daspropriedades químicas e mecânicas dosmateriais das ferramentas, têm provocadoum aumento da vida da ferramenta nosprocessos de maquinagem. Dedicaram-seao estudo da comparação do desempenhodas brocas em presença da técnica dalubrificação mínima (10 ml.h’ de óleonum fluxo de ar comprimido) e dalubrificação abundante de óleorefrigerante/lubrificante na furação da ligade Alumínio-Siiício (A356).

Os resultados obtidos demonstraramque a utilização da lubrificação mínimaapresentava resultados similares aosobtidos quando é usada a lubrificaçãoabundante. Também concluíram que aqualidade dos furos obtida com alubrificação mínima é igual ou superior àobtida com a lubrificação abundante.

102

2.PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL k

A medição daaritmética (Ra) nos

rugosidade médiafuros passantes foi

2.1 Materiais e Meios

Os ensaios foram realizados emprovetes de alumínio “Puro comercial”(Série AA 1050-O) obtidos por extrusãocom uma espessura de lOOmm. Foramefectuados furos passantes.

Na ftiração foram utilizadas brocashelicoidais de carbonetos sinterizados(K10), R415.5-0500-30-ACO 1010, comose observa na Figura 1, com 5 mmdiâmetro e um ângulo de ponta de 140°,segundo a norma Dfl\l 6537.

Para a realização dos ensaios foiutilizado o centro de maquinagem “VCEMJKRON 500”, com uma potência de11kW e uma velocidade de rotaçãomáxima de 7500 r.p.m.

Fig. 2 - Dinamómetro piezoeléctrico Kistler 9072utilizado nos ensaios

efectuada através do rugosímetroHommeltester Ti 000, de acordo com aNorma 4287/1, conforme se observa naFigura 3.

Fig. 3 - Medição da rugosidade média aritméticaatravés do rugosímetro

Fig.1 — Broca Helicoidal de carbonetos sinterizados (K10) utilizada nos ensaios de furação.

O aperto da placa, na prensa de maxilasdo centro de maquinagem, foi realizadoatravés de um sistema de pinças de modo aque não existissem vibrações nemdeslocamento da mesma.

Através de um dinamómetropiezoelectrico Kistler 9072 e dorespectivo sistema de aquisição de dados(amplificador de carga Kistler®50 19)foram adquiridas as forças de corte,nomeadamente o momento (M) e força deavanço (Fa), como se observa na Figura 2.

Posteriormente efectuou-se o cálculo dovalor da pressão específica de corte (Ks),através da seguinte expressão:

Ks=8X (1)axd

sendo, M o momento em N.cm, a o avançoem mm!rot e d o diâmetro do furo em mm.

3. RESULTADOS OBTIDOS E SUADISCUSSÃO

O programa de ensaios teve comoobjectivo avaliar a influência do modo delubrificação no processo de corte e naqualidade superficial, em função dosparâmetros processuais (Vc e a).

Na Tabela 3, podemos observar osresultados experimentais obtidos através daexpressão (1) para a pressão específica decorte (Ks), e para a rugosidade médiaaritmética (Ra), em função dos parâmetrosprocessuais, para os vários modos de lubrificação (a Seco, Mínima e Abundante).

Nas Figuras 4-6 podemos observar ainfluência do modo de lubrificação (a Seco,Mínima e Abundante), no momento (M),em função dos parâmetros processuais (Vcea).

103

Tabela 3: Valores experimentais da pressão específica de corte (Ks), e da rugosidade média aritmética (Ra), emfunção dos parâmetros processuais para os vários modos de lubrificação (a) Seco, (b) Mínima, (c) Abundante.

Ensaios Vc a Momento Força de Ks Ra[m/minJ tmm/rot] [N.cm] avanço [N/mm2] [JJmJ*

[N]. 1 0.15 138 826 2944 3.64

2 600.2 142 1104 2272 5.3(3820 rpm)

3 0.25 174 1341 2227.2 5.854 0.15 12$ 821 2730.7 3.79

(477’5rpm) 0.2 137 1032 2192 4.73

6 0.25 160 1330 204$ 5.44

7 0.15 120 811 2560 3.1690

0.2 127 955 2032 4.42(5730 rpm)9 0.25 149 1346 1907.2 5.24

* média de 3 ensaios

Ensaios Vc a Momento Força de Ks - Ra[mlminJ tmm/rot] [N.cm] avanço tNImm2] [tmJ*

[N]1 0.15 126 881 2688 2.38

260

0.2 145 1091 2320 2.48. (3$2orpm).

3 0.25 168 1354 2150.4 2.514 0.15 105 862 2240 2.31

(477’5rpm) 0.2 125 1075 2000 2.32

6 0.25 148 1331 1894.4 2.34

7 0.15 101 $51 2154.7 1.97

8 (5730 rpm) 0.2 120 1035 1920 2.02

9 0.25 145 1291 1$56 2.13* média de 3 ensaios

Ensaios Vc a Momento Força de Ks Ra[mlminJ [mm/rot] [N.cm] avanço [NImm2] [JImJ*

[N]1 0.15 102 833 2176 1.8

260

0.2 127 1113 2032 2.09(3$20 rpm)3 0.25 154 1373 1971.2 2.134 0.15 100 297 2133.3 1.78

(4775 rpm) 0.2 122 1154 1952 1.93

6 0.25 145 1367 1$56 2

7 0.15 9$ 826 2090.7 1.6490

0.2 118 1110 1$88 1.87(5730 rpm)9 0.25 132 1206 1689.6 1.75

(a)

(5)

(c)

* média de 3 ensaios

104

Fig. 4 - Momento em função do avanço para as diferentes velocidades de corte (a) Vc = 60 mlmin, (b) Vc = 75mlmin e (c) Vc = 90 m/min para a lubrificação a Seco.

Na figura 7, podemos observar a,evolução da pressão específica de corte(Ks) em função do avanço, e da velocidadede corte para os vários tipos delubrificação (a Seco, Mínima eAbundante).

Na Figura 7 podemos ainda verificarque a pressão específica de corte (Ks)diminui com o aumento de ambos osparâmetros processuais (velocidade decorte e avanço). Verificamos também quea maquinagem a seco apresenta valores deKs superiores ao da maquinagem comlubrificação.

Na Figura 8, podemos observar aevolução da rugosidade média aritmética(Ra) em função dos parâmetrosprocessuais (Vc e a) para os vários modosde lubrificação (a Seco, Mínima eAbundante).

Na figura 2 podemos verificar que arugosidade média aritmética (Ra) aumentacom o avanço e diminui com a velocidadede corte. Verificamos também que amaquinagem a seco apresenta valores deRa superiores ao da maquinagem comlubrificação. finalmente verificamos queos valores de Ra para a maquinagem comlubrificação mínima são semelhantes aosobtidos para a maquinagem comlubrificação abundante.

A precisão dimensional (IT) poderelacionar-se com a rugosidade médiaaritmética (Ra) através da seguinteequação empírica:

ITRax3O (2)

sendo, Ra a rugosidade média aritméticaem rim.

0 0200,40060’ 0 0,20 O40O:6O ‘ 0 02O40d,60Tempo [sJ

_—a=0,l5mm/rot f —a0,2Omm/rot —a0,25mm/rot

200

180

160

E 140

120

(a) °°

80

60

40

20

200

180

160

140

(b) 120

© 100

80

E 60

40

20

200

180

160

‘140

120

(e) ioo

80

60

© 40

20

0,20 0.40 0,60

—a=0l5mm/rot

O 0,20 0,40 0,60

—a0 ,2Omm/rot

O 0,20 0,40 b,60

______________Tempo

[s]

—a0,25mm/rot

O 0,20 0,40 0,60

—a0,l5mm/rat

020 0,40 060 0,20 04O 6,60

—a0,2Omm/rot —a0,25mm/rot

Tempo [sJ

105

Fig. 5 - Momento em função do avanço para as diferentes velocidades de corte, (a) Vc = 60 mlmin, (b) Vc = 75mJmin e (c) Vc = 90 mlmin, para a lubrificação Mínima.

200

180

160

140

120

/ ‘ 0100

80

60

40

20

o,io o,o 040

—a0,l5mmfrot

o,o o,1o o,o

—a=0,20mm/rot

0,20 0,10 6:60 Tempo [s]—a=025mrn/rot

0,20 0,40 0,60

—‘a=0,15mm/rot

O 0,20 0,40 0,60

— a0 20mm/rot 1O 020 040 6,60

______________Tempo

[s]

— a0 ,25mm/rot

200

160

160

140

120

(a) 0100

804?

200

180

160

14%

120

(b) 100

80

60

© 40

20

200

180

160

E 140

120

(c) 100

804?

E 60

O 40

20

o,io o,o o4o

—a0,lOmm/rot

o 0,20 0,40 0,60

— a0 2Omm/rot

O 020 040 0:60

_____________Tempo

[s]

— a0 25mm/rot

.ti0,0 o,o o,o

—a=0,l5mmfrot

0 0,0 0:40 0:60

— a0 2Omm/rot

O 0:20 0:40 0:60Tempo [s]

—a=025mm/rot

na200

180

E 160

Z 140

120ft\ ©U) 100

4?

E 80

© 60

40

20

O 0,20 0,40 0,60

—a=0,lSmm/rot

0,0 0,60

—a02Omm/rot

0,20 0,40 0,60 Tempo [s]

—a0 ,25mm/rot

106

200

180

160

140

120

(c)4. 80

60

40

20

O 0,0 0,0 0,0

—a0,l5mm/tot

o,io o,io o,o

—a02Omm/rot

O 0,0 0,60__Tempo [s]— a0 25mmfrot

— 3200

3000

. 2800

‘ 2600

2400

2200

2000

1800o‘ 1600

1400

E

o

•0

oia

0.1 -0.15 Q2 0.25 0.3

Avanço tmm/rot]

Fig. 6 - Momento em função do avanço para as diferentes velocidades de corte: (a) Vc = 60 mlmin, (b) Vc = 75mlmin e (c) Vc =90 mlmin para a lubrificação Abundante

3200

3000

2800

2600

2400

2200 -

2000

1800o

1600

1400

e

N

Lubrificação a Seco

•Vc=60m/mm

• Vc = 75 mlmin

ÀVc9Omjmjn -

(a)

, 7.0 ——----- -

— Lubrificação a Secoa6.0

•Vc6OmImme

5.0- ,•Vc75m/min

4.0

3.0- À

. 2.0-a

o0.0

- 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 -

(a)Avanço tnun/rotl

•% o

DA

o

Lubrificação Minima

OVc6Om/min

DVc=75m/min

AVc9Omlmin

(b)0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Avanço tmm/rotl

7.0 --

— Lubrificação Mínima6.0-

- OVc6OmImin

15.0- DVc75mJmjn

4.0 - AVc 90 mlmin

. 3.0

2.0 A Aa

1.0o

L

__________

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3(b)

Avanço [mm/mtj

3200

3000 -

2800

2600 -

2400

2200

2000

1800 -

1600

1400

Lubrificação Abundante

øVc6Om/min

D Vc = 75 mlmin -

- A Vc =90 m1mín

- o

A

7.0Lubrificação Abundante

6.0 .

O Vc = 60 mJmínE 5.0

DVc=75min

a4.0 -

- A Vc 9OmJmín3.0

2.0 - -

1.0-

= 0.0

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3(c)

Avanço tmm/rotl

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 (c)Avanço Imm/rotl -

Fig. 7— Evolução da pressão específica de corte (Ks)em função dos parâmetros processuais para os vários

tipos de lubrificação (a) a Seco (b) Mínima e (c)Abundante

Fig. 8 — Evolução da rugosidade média aritmética(Ra) em função dos parâmetros processuais, para osvários modos de lubrificação (a) a Seco (b) Mínima

e (c) Abundante -

107

Na Figura 9, podemos observar aevolução da precisão dimensional (IT) emfunção dos parâmetros processuais, para osvários tipos de lubrificação.

Podemos observar na Figura 9, que amaquinagem a seco origina pior precisãodimensional (IT 12-13) em relação àmaquinagem com lubrificação. Verificamostambém que a precisão dimensional obtidacom lubrificação (Mínima ou Abundante)apresenta valores similares (IT1O-1 1) entreeles o que poderá levar à substituição dalubrificação Abundante pela Mínima.

4. CONCLUSÕES

Tendo em consideração os resultadosexperimentais obtidos na ftiração dealumínio com os vários modos delubrificação podemos estabelecer asseguintes conclusões:

• a pressão específica de corte (Ks)diminui com ambos os parâmetrosprocessuais (Vc e a). A maquinagem aseco apresenta valores de Ks superioresaos da lubrificação.

• a rugosidade média aritmética (Ra)diminui com a velocidade de corte eaumenta com o avanço. A maquinagem a

200

180 -

160

140 -

120o100

80

___________

60o

o20-

seco apresenta valores de Ra superioresaos da lubrificação.

• a maquinagem com lubrificação mínimaapresenta valores de Ra semelhantes aosobtidos para a maquinagem comlubrificação abundante.

• a precisão dimensional melhora bastantecom a lubrificação e existe uma variaçãonotória na qualidade entre a maquinagema seco e com lubrificação, seja mínimaou abundante.

• em função dos parâmetros processuaisutilizados foi possível obter qualidadessuperficiais (precisão dimensional) deconstrução. mecânica corrente,nomeadamente IT1O e 11 paramaquinagem com lubrificação (mínima eabundante) e qualidade de construçãomecânica grosseira, 1T12 e 13, para amaquinagem a seco.

• a lubrificação mínima apresentavantagens relativamente à abundantedado que do ponto de vista do processo(Ks) e qualidade superficial (IT) sãosemelhantes, mas do ponto de vistaecológico (ambiental) a mínimaapresenta inúmeros beneficios.

Fig. 9 - Evolução da precisão dimensional (IT) em ftmção dos parâmetros processuais, para os vários modos delubrificação

tIT 13 jjtm

ÀITY1=75jim

.-

IT10=48pm

Lubrificação a Seco• vc = 60 m/min• Vc = 75 m/minÀVc= 90 rn/min

Lubrificação MínimaVc = 60 m/minDVc=75m/mint Vc = 90 m/min

Lubrificação Abundantevc =60 m/minD Vc =75 mfmint Vc = 90 m/min

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Avanço [mm/mt]

108

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem aos Eng.0S

António Festas, Carlos Peixoto e RuteGomes a colaboração prestada naexperimentação.

Finalmente agradecem aoMonteiro Baptista da FEUP pelado dinamómetro piezoeléctricomedição das forças de corte.

REFERÊNCIAS

Braga D. U., Diniz A. E., Coppini N. L. eMiranda G. W. A., “Utilização da Técnica deMínima Lubrificação por Névoa na Furaçãoda Liga de Alumínio-Silício SAE-323”, IVCongreso iberoamericano de Ingen ieriaMecanica, Santiago-Chile, 1999.

Braga D. U., Diniz A. E., Coppini N. L. eMiranda G. W. A., “Using a MinirnumQuantity of Lubricant (MQL) and a DiarnandCoated Tool in the Drilling of AluminiumSilicon Alloys”, Journat of MateriaisProcessing Techno/ogv, Vol.122, 2002, pp.127-138.

Byers, J.P., “Metalworking fluids”, MarceiDekker, New York, 1994, pp.6l- 98.

Davim J. P., “Princípios de Maquinagem”,Livraria A/medina, Coimbra, 1995, pp. 169-177.

Sokovié M., e Mijanovié K., “EcologicalAspects of the Cutting Fluids and itsInfluence on Quantifiable Pararneters of theCutting Processes”, Journai of MateriaisProcessi;zg Technotogv, Vol.109, 2001, pp.181-189.

Sanz, C., e Fuentes, E., “Mecanizado en Seco:Alternativas ai Método Convencional deLubricacíonlRefrigeracíon “, Revista TOPE,2001, pp. 29-34.

Sreejith P. 5. e Ngoi B. K. A., “DiyMachining: Machining of the Future”,Jozirnai ofMateriais Prpcessing Technoiogy,Vol. 101, 2000, pp. 287-29 1.

Kelly J. F. e Cotterell M. G., “MínirnalLubrification Machining of AlurniníurnAlloys”, Joítrnai of Materiais ProcessingTechnolôgy, Vol. 120, 2002, pp. 327-334.

Prof. A.cedência

para a

109

-