COMPORTAMENTO DA TEMPERATURA NA INTERFACE CAVACO- FERRAMENTA SOB DIFERENTES CONDIES DE CORTE

Leonardo Oliveira Ribeiro Rosemar Batista da Silva lisson Rocha Machado Universidade Federal de Uberlndia, Faculdade de Engenharia Mecnica, Av. Joo Naves de vila, 2.121, Uberlndia MG, 38.400-089, Brasil. Resumo. O objetivo deste trabalho investigar a influncia de diferentes parmetros de corte (velocidade de corte, avano e diferentes fluidos de corte) na temperatura da interface cavaco-ferramenta por meio do mtodo termopar ferramenta-pea no torneamento do ao ABNT NB 8640 (dureza mdia de 290 HV) utilizando ferramentas de metal duro, classes K 10 e P30. As condies testadas foram as seguintes: torneamento contnuo a seco, com aplicao de emulses (concentraes de 5 e 7%), leo integral e leo vegetal aplicado em MQF, com de velocidades de corte entre 30 e 270 m/min, taxa de avano de 0,138 e 0,176 mm/rot e profundidade de usinagem constante de 1,0 mm. De um modo geral, os resultados indicaram que o fluido emulsionvel com concentrao de 5% e ferramenta K10 produziram os menores valores de temperatura na interface cavaco ferramenta para todas as condies de corte testadas. Verifica-se tambm que a temperatura de corte aumenta com a velocidade de corte para todos os tipos de fluidos utilizados. O menor avano produziu menor temperatura de forma significativa apenas para a ferramenta K10. Palavras-chave: temperatura de corte, fluidos de corte, MQF, metal duro, ao ABNT NB 8640 1. INTRODUO

Dentre os vrios fatores que afetam diretamente as condies de trabalho entre a ferramenta e a pea, a temperatura na ferramenta um fator que limita bastante a produtividade das operaes de usinagem, principalmente quando so desenvolvidas altas temperaturas durante o processo de corte s quais afetam extremamente o desempenho das ferramentas de corte, responsveis em grande parte pela produtividade destas operaes. Assim, um maior entendimento sobre o comportamento das temperaturas envolvidas na interface cavaco-ferramenta de extrema importncia para se fazer o correto dimensionamento e/ou seleo das ferramentas de corte empregadas no processo de usinagem.

Os valores mximos da temperatura situam-se em regies especficas, bem prximas aresta de corte, onde as tenses atuantes (normais e cisalhantes) so altamente elevadas (Trent, 1991). Como no processo de torneamento apenas 8 a 10% do total de calor gerado transferido para a ferramenta, a maior parte deste calor dissipado pelo cavaco, mas uma pequena parcela conduzida na pea, e aumenta a sua temperatura, podendo s vezes causar problemas de preciso dimensional (Machado e Da Silva, 1998). A ferramenta funciona, ento, como um sorvedouro trmico. Isto mais um agravante para ferramenta podendo acelerar o desgaste nesta regio.

Desta forma a quantidade de calor que flui para a ferramenta, ou melhor, o seu comportamento durante o processo de usinagem, ir depender da condutividade trmica da ferramenta, das condies de corte (velocidade de corte (vc), avano (f) e do tipo e geometria da ferramenta de corte), condies da mquina e material da pea a usinar. Sendo a temperatura da interface cavaco-

ferramenta fortemente influenciada pela velocidade de corte, haver, portanto, um limite prtico na velocidade de corte, para cada par ferramenta-pea. As altas temperaturas nas ferramentas de corte no s aceleram os mecanismos de desgaste termicamente ativados, com tambm reduzem o limite de escoamento dessas ferramentas (Machado e Da Silva, 1998).

Neste contexto, para que se avalie o desempenho global obtido preciso definir um conceito de usinabilidade, que no pode ser baseado somente em funo de um nico parmetro. Uma definio bastante pertinente aquela que faz considerao entre a interao existente entre o material da pea, a ferramenta de corte, a utilizao ou no do fluido de corte e a mquina ferramenta (Naylor, 1979).

Normalmente, os parmetros mais utilizados para indicar o ndice de usinabilidade de materiais so a vida e o desgaste das ferramentas e o acabamento da superfcie da pea. Outros parmetros como a temperatura de corte, foras de corte, consumo de energia, tipo de cavaco, taxa de remoo de material, fatores metalrgicos (composio qumica, microestrutura e propriedades mecnicas) so, tambm, bastante utilizados para avaliar a usinabilidade de materiais.

Os problemas produzidos pela elevao da temperatura muitas vezes podem ser eliminados com a utilizao correta do fluido de corte. Mas atualmente, face grande tendncia de preocupao ambiental, a utilizao dos fluidos de corte tem sido bastante questionada. Embora tenham significativa importncia dentro da maioria dos processos de produo, os fluidos de corte apresentam-se como um dos principais agentes nocivos ao homem (operador e meio ambiente). Como conseqncia, principalmente da forma incorreta de descarte e no reciclagem que agridem o meio ambiente, os rgos de legislao ambiental tm exigido cada vez mais a restrio de sistemas que provocam tais problemas com a imposio de leis ambientais rigorosas (Weingaertener et al., 200). Alm disso, grande ateno tem sido dada aos custos envolvidos no processo de aplicao de fluidos de corte. Por outro lado, quando se abre mo da utilizao de fluidos de corte, algumas de suas funes podero ser comprometidas. As principais funes deles so reduo do atrito (lubrificao), reduo do calor (refrigerao) e auxlio ao transporte de cavacos (limpeza). Se a funo de lubrificao abolida, a camada de separao entre a ferramenta e o material no ser suficientemente garantida e o atrito aumentar. Com isso aumenta-se o desgaste por abraso e por adeso na ferramenta, e tambm uma elevao da temperatura no processo. Com o aquecimento, os cavacos tero mais dificuldade para adquirir uma forma mais definida e podem soldar-se ferramenta (Novaski e Drr, 1999). Devido a presena de elevadas temperaturas de corte e penetrao peridica do fluido na superfcie em questo, a ferramenta de corte poder estar sujeita a contnuos estados de expanses e contraes. Assim, uma ferramenta com boa condutividade trmica e baixo coeficiente de expanso trmica poder minimizar os danos trmicos pela minimizao da flutuao da temperatura na aresta de corte [Ezugwu et al., 1999]. A no refrigerao afeta o comportamento trmico da mquina, e como conseqncia, a preciso dimensional e geomtrica das peas. J a ineficincia no transporte dos cavacos pode ser mais agravante em operaes de furao, onde necessrio retirar os cavacos da regio de corte durante a usinagem. Embora em alguns casos a usinagem a seco no seja ainda possvel, tendo em vista estas consideraes, esta condio fica bastante restrita ou praticamente descartada. Assim, uma outra alternativa seria tentar minimizar a utilizao dos fluidos de corte visando uma operao no agressiva ao meio ambiente e com menores custos de produo. Neste sentido, atualmente tem sido utilizada, principalmente nas operaes de torneamento de aos, a tcnica conhecida como Mnima Quantidade Fluido (MQF). Esta tcnica consiste em aplicar o fluido que pulverizado em fluxo de ar comprimido, uma vazo que normalmente abaixo de 80 ml/h (Novaski and Drr, 1999).

A importncia relativa de cada uma das funes dos fluidos citadas depender ainda do material usinado, do tipo de ferramenta utilizada (geometria definida ou indefinida) das condies de corte, do acabamento da superfcie e do controle dimensional exigido.As consideraes para a seleo correta do fluido de corte dependero de vrios fatores inter-relacionados, como por exemplo, aspectos econmicos, tipo de mquina operatriz, custos relacionados aos procedimentos de descarte, tipo de sistema de circulao do fluido, sade humana e contaminao do fluido, meios de controle, mtodo de aplicao do fluido, severidade da operao, materiais usinados e compatibilidade do

metal com o fluido, dentre outros. Obviamente, no existe um fluido que consiga atender os requisitos citados. No entanto deve-se procurar definir os parmetros prioritrios para a operao de usinagem a ser desempenhada e verificar entre os fluidos existentes, aqueles que mais se adequam aos aspectos definidos (Da Silva e Brandi, 2000).

Sobre os tipos de fluidos de corte, no existe uma padronizao nica estabelecida entre as empresas fabricantes. Uma classificao bastante difundida por Machado e Diniz (2000) agrupa os produtos em ar; aquosos: emulses (leos solveis) e solues qumicas; e leos que so representados pelos leos dos tipos minerais, graxos, compostos, de extrema presso e os de usos mltiplos.

O ar comprimido visa resfriar a regio de corte atravs de um jato, puro ou misturado a outro fluido na interface contra superfcie interna do cavaco. A gua tem sua aplicao bastante restrita por ser altamente corrosiva aos materiais ferrosos. As emulses constituem de leos minerais adicionados gua em propores que podem variar de 1:10 a 1:100 com agentes emulgadores que garantem a miscibilidade com a gua. Normalmente empregam-se aditivos anticorrosivos, tais como nitreto de sdio para minimizar os efeitos nocivos da presena gua nas emulses. Os fluidos semi-sintticos so tambm formadores de emulses e apresentam de 5 a 50% de leo mineral no fluido concentrado, aditivos e compostos qumicos que dissolvem-se na gua formando molculas individuais. As solues so compostos monofsicos de leos dissolvidos completamente na gua. Pertencem a esta classe os fluidos sintticos os quais so livres de leo mineral em suas composies; baseiam-se em substncias qumicas que formam uma soluo com a gua. Eles apresentam uma vida maior j que so menos suscetveis ao ataque das bactrias, e reduzem o nmero de trocas na mquina. Quanto aos leos minerais, tambm conhecidos como leos integrais, encontram-se na forma pura ou com aditivos, normalmente de alta presso. Estes leos so hidrocarbonetos obtidos a partir do refinamento do petrleo cru. As suas propriedades dependem do comprimento da cadeia, estrutura e grau de refinamento (Machado e Diniz, 2000).

Quanto aos mtodos de medio de temperatura, vrios pesquisadores tm dado ateno especial determinao desses valores, atravs da utilizao de inmeras tcnicas de medio. Por mais que os mtodos desenvolvidos tenham se evoludo, existe uma enorme dificuldade para divulgar com exatido o valor da temperatura obtida na restrita rea de contato entre a ferramenta e a pea para uma determinada condio (Matosinhos, 1999). As tcnicas mais importantes para a determinao da temperatura de corte so atravs dos mtodos calorimtricos, mtodo do termopar ferramenta-pea; termopar implantado, inspeo metalogrfica, utilizao de tintas termosensveis, sais com ponto de fuso constante, medies da radiao infravermelha e atravs de mtodos analticos e numricos. Machado e Da Silva (1998) e De Melo (1998) admitem que todos estes mtodos, sem exceo, apresentam limitaes. A tcnica do termopar ferramenta-pea tem sido bastante utilizada no torneamento por ser considerado um dos mtodos que fornece melhor exatido para a aplicao dentre todos os mtodos citados anteriormente (Trent, 1991).

Portanto objetivo deste trabalho investigar o comportamento da temperatura variando velocidades de corte, taxas de avano, fluidos de corte, e ferramentas de metal duro de classes diferentes. Com isso pretende-se identificar qual fluido apresenta melhor desempenho em termos de refrigerao para as condies testadas. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O material de trabalho utilizado foi o ao ABNT NB 8640, laminado a quente e normalizado, com valor mdio de dureza Vickers HV = 290 kgf/mm2 na forma de barras cilndricas de dimetro 61,4 mm x 500 mm de comprimento. Este material bastante utilizado na indstria automobilstica por apresentar boa resistncia mecnica e boa temperabilidade. Suas aplicaes mais comuns so em fabricao de elementos de transmisso de eixos.

Os corpos de prova foram preparados atravs do torneamento com ferramenta de sacrifcio (para remoo de irregularidades e assegurar centragem exata das barras em relao ao torno aps a fixao da pea na placa e contra ponta) resultando em um dimetro de 60,4 mm. Aps a fixao, a

pea foi usinada at um dimetro de 53,4 mm. Os ensaios foram realizados em um torno mecnico, modelo IMOR MAXI-II 520, (6 CV de potncia). As ferramentas utilizadas foram confeccionadas em barras de metal duro integral (classes K10 e P30), adquiridas da WOLFRAMCARB, retificadas para a seguinte geometria: 0 = 6; 0 = 5; r= 75; r = 90 e s = 0. As ferramentas da classe P30 apresentam boa tenacidade em relao s da classe K10 e so geralmente utilizadas em operaes de usinagem em geral, com relativas baixas e mdias velocidades de corte e sees de corte mdias e grandes (Machado e Da Silva, 1998).

As condies de corte empregadas foram as seguintes: velocidades de corte diferentes que variaram dentro de um intervalo entre vc = 30 m/min e 270 m/min, combinados com valores de avano f = 0,138 mm/rot e 0,176 mm/rot com profundidade de usinagem ap = 1,0 mm.

Alm da condio a seco, os fluidos de corte utilizados neste trabalho foram os seguintes: emulsionvel s concentraes de 5 e 7%, o fluido mineral, fluido integral e o vegetal. Este ltimo foi aplicado sob forma mnima quantidade de fluido (MQF) uma vazo de 50 ml/h. Os outros fluidos foram aplicados em abundncia, com uma vazo de aproximadamente 5 l/min As concentraes foram controladas por um refratmetro porttil marca tago, modelo N1. Todos os fluidos foram aplicados utilizando o mtodo convencional (sobrecabea).

Para a medio de temperatura foi empregado um mtodo de medio desenvolvido por Fernandes (1993), e tambm utilizado por (Sales, 1999) nos seus experimentos, o qual se baseia no princpio do funcionamento dos termopares ferramenta-pea. A junta quente do termopar est localizada na interface cavaco-ferramenta (materiais diferentes). Durante a usinagem, o calor gerado provoca o aumento da temperatura local, que por sua vez, gera uma fora eletromotriz (fem) proporcional diferena de temperatura entre a junta quente e a junta fria (junta de conexo temperatura de 0 mantida dentro de um recipiente trmico na outra extremidade do circuito). Foram levantadas curvas de calibrao para a duas ferramentas com o material da pea (K10/8640 e P30/8640) a fim de estabelecer relao entre a diferena de potencial obtida (mV) com a temperatura na interface (C). O sinal eltrico gerado pela regio aquecida entre o cavaco e a ferramenta, que apresenta uma relao bastante linear com a temperatura da junta, amplificado e enviado para uma placa de aquisio de dados em um microcomputador. Com o auxlio de um programa de computador, desenvolvido na linguagem C++, se estabelece a relao desta tenso amplificada com a temperatura real da interface. Para isso utiliza-se a curva de calibrao j ajustada. Maiores detalhes do desta tcnica podem ser obtidos do trabalho de Fernandes (1993). 3. RESULTADOS E DISCUSSO As Figuras (1) a (4) representam as curvas de temperaturas em funo das velocidades de corte para as diversas condies de aplicao de fluidos de corte para as ferramentas de metal duro classes K10 (Figuras (1) e (2)) e P30 (Figuras (3) e (4)), de acordo com o item 2. Da Figura (1), para avano (f) de 0,138 mm/rot, verifica-se que um aumento da velocidade de corte implica em aumento da temperatura de usinagem na interface cavaco-ferramenta para todas as condies testadas. Todas as temperaturas (T) registradas foram superiores a 260C. Na velocidade baixa (em torno de 33 m/min) as temperaturas relativamente baixas so conseqncias, principalmente, da presena da aresta postia de corte (APC), que eleva a fonte principal de calor (de cisalhamento secundria) para uma regio afastada da superfcie de sada. Nestas condies, alm da ao refrigerante, a ao lubrificante do fluido pode ser muito importante. Observa-se ainda da Figura (1) que para baixas vc (at 100 m/min) o fluido integral produz as menores temperaturas de corte. Para valores superiores a vc = 100 m/min , o fluido emulsionvel 5% mostra-se mais eficiente como refrigerante e aumenta a temperatura em 13,5 % ao passar de vc = 125 m/min para 248 m/min. Quanto ao fluido emulsionvel 7%, nota-se que comportamento da temperatura bastante semelhante ao da curva de temperatura do fluido integral a partir de vc = 100 m/min. O fluido vegetal (MQF) demonstra no ser bom refrigerante em relao aos outros fluidos utilizados uma vez que as temperaturas foram relativamente superiores. A condio a seco produz os maiores valores de temperaturas em comparao com os fluidos utilizados, atingindo o valor de 781C para

a maior vc. Este valor representa um aumento de 60% em relao a temperatura produzida pelo fluido emulsionvel 5% para a maior vc.

Ferramenta K10 f = 0,138 mm/rotap = 1 mm

0

200

400

600

800

1000

0 50 100 150 200 250 300Velocidade de corte (m/mim)

Tem

pera

tura

(C

)

Seco Emulsionvel 7%Emulsionvel 5% IntegralVegetal - MQF

Figura 1. Temperatura de usinagem em funo vc para condies a seco, com fluido emulsionvel 5%, emulsionvel 7%, integral e vegetal-MQF (ferramenta K10, f = 0,138 mm/rot e ap = 1 mm)

A Figura (2), que apresenta os valores de temperatura em funo de vc, ferramenta K10, para

diferentes tipos de fluido de corte e f = 0,176 mm/rot, mostra, de forma anloga Figura (1), que os valores de temperaturas aumentam com vc para todas as condies testadas. Verifica-se que curva para o fluido emulsionvel 5% apresenta os menores valores de temperatura (inferiores a 583C) dentre todas as condies testadas (com exceo do menor valor de vc,quando fluido integral apresenta menor temperatura). Novamente a condio a seco apresenta os maiores valores de T, seguida pela curva que representa a aplicao de fluido vegetal em MQF. Observa-se tambm que todos os valores de temperatura so relativamente maiores que os observados na Figura (1), onde f = 0,138 mm/rot.

Ferramenta K10 f = 0,176 mm/rotap = 1 mm

0

200

400

600

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1000

0 50 100 150 200 250 300

Velocidade de corte (m/mim)

Tem

pera

tura

(C

)

Seco Emulsionvel 7%Emulsionvel 5% IntegralVegetal - MQF

Figura 2. Temperatura de usinagem em funo vc para condies a seco, com fluido emulsionvel 5%, emulsionvel 7%, integral e vegetal-MQF (ferramenta K10, f = 0,176 mm/rot e ap = 1 mm)

A Figura (3) apresenta os valores de temperatura em funo de vc, ferramenta P30, para diferentes tipos de fluido de corte e f = 0,138 mm/rot. Observa-se tambm a tendncia de elevao da temperatura com vc para todas as condies testadas, semelhante encontrada para a ferramenta K10, Figuras (1) e (2). Todos estes valores so relativamente maiores que os observados na ferramenta K10. O fluido integral produz os menores valores de temperaturas para relativas baixas e mdias vc dentre todas as condies testadas. Para valores maiores de vc o fluido emulsionvel 7% demonstra ser levemente mais eficiente em relao ao emulsionvel 5% e ao integral. Embora exista relativa diferena nos valores de temperatura entre os tipos de fluido, com exceo da condio seco que produz valores de T ligeiramente superiores aos demais, percebe-se que para esta ferramenta, P30, os fluidos de corte so menos eficientes no sentido de refrigerao, em relao a ferramenta K10.

Ferramenta P30 f = 0,138 mm/rotap = 1 mm

0

200

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600

800

1000

0 50 100 150 200 250 300Velocidade de corte (m/mim)

Tem

pera

tura

(C

)

Seco Emulsionvel 7%Emulsionvel 5% IntegralVegetal - MQF

Figura 3. Temperatura de usinagem em funo vc para condies a seco, com fluido emulsionvel 5%, emulsionvel 7%, integral e vegetal-MQF (ferramenta P30, f = 0,138 mm/rot e ap = 1 mm)

A Figura (4) apresenta os valores de temperatura em funo de vc, ferramenta P30, para

diferentes tipos de fluido de corte e f = 0,176 mm/rot. Em geral, observa-se a tendncia de elevao da temperatura com vc para todas as condies testadas, semelhante s Figuras (1), (2) e (3). Nota-se que tanto o fluido integral como o vegetal MQF produzem valores menores de T em relao s outros fluidos at valores relativamente mdios de vc (em torno de 130 m/min). Para valores maiores de vc os dos fluidos emulsionveis (5 e 7%) produzem os menores valores de T, comportamento das curvas de T tambm bastante semelhantes entre si, com T aumentando com valores mdios de vc (a partir de 170 m/min) e em seguida tendem a permanecer praticamente constante para valores de vc superiores aquele. A condio a seco tambm apresenta os maiores valores de T para esta ferramenta, embora estes valores sejam bem prximos das mesmas condies utilizadas para a ferramenta P30, f = 0,138 mm.

Ferramenta P30 f = 0,176 mm/rotap = 1 mm

0

200

400

600

800

1000

0 50 100 150 200 250 300Velocidade de corte (m/mim)

Tem

pera

tura

(C

)

Seco Emulsionvel 7%Emulsionvel 5% IntegralVegetal - MQF

Figura 4. Temperatura de usinagem em funo vc para condies a seco, com fluido emulsionvel 5%, emulsionvel 7%, integral e vegetal-MQF (ferramenta P30, f = 0,176 mm/rot e ap = 1 mm)

A Figura (5) apresenta os valores de temperatura em funo de vc, para as ferramentas K10 e

P30, e para os dois valores de avano (0,138 e 0,176 mm/rot), utilizando o fluido emulsionvel 5% que, em geral, produz os menores valores de temperaturas de usinagem dentre todos os outros fluidos utilizados. Verifica-se que os menores valores de temperatura so alcanados utilizando a ferramenta K10, que em mdia 35% menor que os valores encontrados utilizando a ferramenta P30. Alm disso observa-se que o avano praticamente no influi nos valores de temperatura quando se utiliza a ferramenta P30. Para a ferramenta K10 verifica-se um ligeiro efeito do avano.

Ferramentas K10 e P30 Emulsionvel 5%

0

200

400

600

800

0 50 100 150 200 250 300Velocidade de corte (m/mim)

Tem

pera

tura

(C

)

P30/f = 0,138 mm/rotP30/f = 0,176 mm/rotK10/f = 0,138 mm/rotK10/f = 0,176 mm/rot

Figura 5. Temperatura de usinagem em funo vc e f para as ferramentas K10 e P30 com fluido

emulsionvel 5% (ap = 1 mm)

4. CONCLUSES

As seguintes concluses podem ser tiradas deste trabalho: A temperatura de corte aumenta com a velocidade de corte para todas as condies

testadas;

De um modo geral a ferramenta de metal duro classe K10 com fluido emulsionvel 5% produz as menores temperaturas de corte para todas as condies testadas, alcanando o valor mximo em torno de 500C para ferramenta K10 (vc = 278 m/min e f = 0,138 mm/rot);

A condio de usinagem a seco apresenta maior valor de temperatura para todas as condies testadas, alcanando o valor mximo em torno de 850C para ferramenta P30 (vc = 270 m/min e f = 0,176 mm/rot);

O menor valor de f = 0,138 mm/rot produz os menores valores de temperaturas dentre todas as condies testadas; e exerce pouca influncia apenas para a ferramenta K10.

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