IV Seminário da Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Unesp - Bauru

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1 UTILIZAÇÃO DA MÍNIMA QUANTIDADE DE LUBRIFICANTE (MQL) COM ÁGUA NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO CILÍNDRICA EXTERNA DE MERGULHO EM CERÂMICAS COM REBOLOS DIAMANTADOS Edmilson Antônio Sarni Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Unesp Bauru Prof. Dr. Eduardo Carlos Bianchi Orientador Depto de Engenharia Mecânica Unesp Bauru RESUMO O meio ambiente e a saúde dos seres que nele vivem tornou-se um dos assuntos mais importantes dentro da atual conjuntura, pois a poluição e os resíduos industriais que ameaçam sua sobrevivência despertam cada vez mais a atenção e a apreensão das autoridades públicas, da comunidade cientifica e de inúmeras organizações internacionais. Dessa forma, as indústrias, universidades e centro de pesquisas são influenciados a buscar métodos alternativos que equilibrem o conjunto: meio ambiente - seres vivos - geração de riquezas. O uso do fluido de corte, por exemplo, muitas vezes indispensável nas operações de usinagem e um poluente em potencial, tem sido constantemente estudado para que este possa ser substituído ou utilizado na mínima quantidade possível. Dentre as alternativas, destaca-se a usinagem a seco e a utilização da mínima quantidade de lubrificante (MQL). Este último pode ser utilizado também com adição de água e conseqüentemente com um volume menor de fluido de corte. Este trabalho pretende contribuir para o estabelecimento do equilíbrio acima, estudando o comportamento da técnica de mínima quantidade de lubrificante (MQL) com água no processo de retificação de cerâmicas com rebolo diamantado. Este estudo será feito através da análise da avaliação das variáveis de saída do processo de retificação externa como o comportamento de força tangencial de corte, emissão acústica, energia específica, rugosidade, relação G (volume de material removido/volume de rebolo desgastado), desvio de circularidade e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Através dos resultados obtidos, pretende-se considerar a técnica do MQL com água, interpretando-a como um método alternativo de usinagem menos agressivo ao meio ambiente e aos seres que dele dependem, sem comprometer a geração de riquezas.

2 Palavras chaves: Retificação externa, rebolo diamantado, cerâmica, mínima quantidade de lubrificante (MQL). 1. INTRODUÇÃO Como um processo de usinagem por abrasão, a retificação é utilizada no acabamento de superfícies com o propósito de conferir a estas, tolerância dimensional precisa e reduzidos valores de rugosidade. Ultimamente a cerâmica tornou-se um material que ganha cada vez mais espaço no meio industrial, devido à suas características de elevada dureza e rigidez, mas em contraponto aparece o alto custo agregado ao acabamento da peça. O processo de retificação é o mais utilizado para a usinagem deste material. Durante a retificação, é na formação de cavacos que grande parte da energia gerada é convertida em calor, causando altas temperaturas na região de corte. Isso pode causar danos térmicos às peças, comprometendo sua integridade superficial com o surgimento de fissuras, distorções, tensões residuais elevadas e nãoconformidades dimensionais. Para obtenção de uma boa qualidade no processo, o fluido de corte é de grande importância já que é responsável por retirar calor do conjunto peça/ferramenta, remover cavacos aderidos aos poros do rebolo e lubrificar a interface peça/ferramenta. Os fluidos de corte são utilizados freqüentemente no meio industrial de forma inadequada, são aplicados de forma abundante, a elevadas vazões e baixa pressão, gerando consideráveis desperdícios. Ultimamente vários pesquisadores, locados em universidades, centros de pesquisa e indústrias, estudam processos alternativos de lubri-refrigeração a fim de minimizar a quantidade de fluido utilizado, ou até eliminá-lo das operações. O de mínima quantidade de lubrificante (MQL) com água tem sido estudado e desenvolvido atualmente, porém a literatura sobre este assunto ainda é muito escassa, principalmente no processo de retificação. Portanto este trabalho intenciona contribuir para a pesquisa desse método de lubrificação no processo de retificação externa de cerâmicas utilizando rebolos diamantados. A questão do impacto ambiental e da saúde dos operadores de máquinas retificadoras também é relevante neste caso, já que se utilizará ainda menos fluido de corte, mas a altas pressões e reutilização zero. Através dos resultados obtidos, pretende-se analisar a técnica do MQL com água, interpretando-a como um método alternativo de lubri-refrigeração, na usinagem, menos agressivo ao meio ambiente e aos operadores.

3 1.1. OBJETIVO O principal objetivo deste trabalho é comparar a técnica da mínima quantidade de lubrificante (MQL) com adição de água, em algumas diluições, à do MQL tradicional (sem adição de água) e à convencional por inundação, no processo de retificação de cerâmicas utilizando-se rebolo diamantado, analisando-se a força tangencial de corte, a emissão acústica, a energia específica, a rugosidade, a relação G (volume de material removido/volume de rebolo desgastado), o desvio de circularidade e a microscopia eletrônica de varredura (MEV). Avaliar-se-á também qual a porcentagem de diluição óleo/água que implica num melhor resultado final de retificação. 2. MÉTODOS 2.1. CARACTERIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE SAÍDA AQUISIÇÃO DE DADOS A aquisição dos dados será realizada através de um computador Pentium III 600 Mhz, com placa de aquisição de dados A/D e software LabVIEW versão 7.1 do fabricante National Instruments. Os parâmetros a serem coletados são: potência elétrica (Pelet) consumida pelo motor que aciona a ferramenta, a rotação da ferramenta (n) e emissão acústica. As aquisições dos dados serão realizadas em tempo real e armazenadas através do software na forma de tensão (V) para posterior manipulação dos dados através de um outro software. Os dados de rotação e potência elétrica consumida gerados durante o processo de retificação serão transmitidos à placa de aquisição de dados através de um circuito condicionador de sinais que possui bornes de entradas para o recebimento dos dados. Na Figura 1 é demonstrada a montagem dos equipamentos para a aquisição dos dados.

4 Figura 1- Montagem dos equipamentos para aquisição dos dados Para a manipulação e armazenamento dos dados desenvolveu-se um programa no LabVIEW que fornece uma tela de apresentação para aquisição dos dados conforme Figura 2. Figura 2- Tela de apresentação do programa de aquisição de dados

5 Para os futuros ensaios, o sistema será programado para operar com uma taxa de aquisição de 1000 pontos por segundo. Tal programa realizará aquisição do sinal da força tangencial de corte, e emissão acústica, sendo que estas variáveis de saída serão armazenadas num arquivo para posterior análise. A programação no LabView 7.1 é feita em sub-rotinas, destacando-se: Entrada de dados físicos dos materiais ensaiados; Aquisição de dados em tempo real; Análise e disposição destes dados em gráficos, simultaneamente à aquisição dos dados; Apresentação dos resultados; Armazenamento dos dados de interesse em arquivos EMISSÃO ACÚSTICA A medição da emissão acústica será feita com a utilização de um sistema de emissão acústica, modelo DM12, marca Sensis, com um sensor fixo que foi posicionado no cabeçote móvel da retificadora próximo do contraponto, com o intuito de detectar as possíveis variações deste sinal e sua relação com as outras variáveis de saída. A Figura 3 mostra o sensor fixado no cabeçote móvel da retificadora. Figura 3- Sensor fixo posicionado no cabeçote móvel.

6 A unidade de tratamento calcula o valor RMS do sinal em Volts e o envia para a placa A/D. Serão utilizados como parâmetros constantes da unidade de tratamento de sinais durante todos os ensaios os seguintes itens: Ganho de sinal: 3; Redução de ruído: 30; Ganho de entrada: 3; Constante de tempo: 1ms CIRCULARIDADE A circularidade será obtida através da utilização de um circularímetro modelo Tayround 31C marca Taylor Hobson conforme Figura 4. Figura 4- Medidor de circularidade. Na ponta do braço encontra-se o apalpador com uma ponta de diamante, elemento que realiza o contato com a peça obtendo os valores de circularidade. O detalhe da ponta de diamante pode ser vista na Figura 5.

7 Figura 5- Detalhe do circularímetro. O circularímetro é alimentado através de um sistema de ar comprimido, garantindo assim que seus movimentos sejam extremamente precisos RUGOSIDADE Para a medição da rugosidade média das peças, representado pelo parâmetro Ra, será utilizado um aparelho da marca Taylor Hobson, modelo Surtronic 3+. A medição é realizada na direção perpendicular à superfície de retificação, de forma que a medição seja executada no sentido axial da peça. A Figura 6 mostra a operação de medição de rugosidade. O rugosímetro foi ajustado para efetuar a medição com um comprimento de medição (cut-off) igual a 0,25 mm. Serão feitas 5 medições em posições distintas na região retificada da peça.

8 Figura 6- Operação de medição de rugosidade DESGASTE DIAMETRAL DO REBOLO A marcação do desgaste do rebolo será possível devido a não utilização da largura total do rebolo de 15 mm, pois a largura a ser utilizada para 2 ensaios por rebolo é de 2 x 4 mm, totalizando 8 mm de largura. Criou-se assim um degrau no rebolo. Após a retificação do corpo de prova marcou-se o desgaste em um outro corpo de prova (aço ABNT 1020). O processo de marcação do rebolo é mostrado na figura 7. Figura 7- Processo de marcação do rebolo.

9 Para a marcação do desgaste do rebolo, foi elaborado um programa CNC, mostrado na Tabela 1. Tabela 1- Programa CNC para Usinagem do corpo de prova para medição de desgaste do rebolo O desnível marcado neste corpo de prova será medido através do aparelho Taylor Hobson, modelo Surtronic 3+, o mesmo que será utilizado para medição de rugosidade ENSAIOS PRELIMINARES Os ensaios preliminares foram realizados com o intuito de se obter as melhores condições de usinagem para serem usadas nos ensaios definitivos. As condições ideais encontradas e que serão mantidas constantes em todos os ensaios definitivos são: Velocidade de corte (vs) de 30 m/s; Rotação da peça (ωw) de 204 rpm; Penetração do rebolo na peça (a) de 0,1 mm; Tempo de centelhamento (ts) igual a 5 segundos;

10 Largura de retificação de 4 mm; Profundidade de dressagem (ad) de 0,04 mm; Vazão do fluido de corte na refrigeração convencional de 22 l/min; Vazão do fluido de corte no MQL de 100 ml/h; Pressão do ar no MQL de 8 bar; Velocidade de saída do ar de 30 m/s no bocal; Quantidade de peças cerâmicas por ensaio de 5 peças; Sistema de limpeza do rebolo com dois bocais na posição tangente em relação à superfície de corte do rebolo. Para a velocidade de mergulho, serão utilizados três valores, sendo estes de 0,25mm/min, 0,50mm/min e 0,75mm/min ENSAIOS DEFINITIVOS Os ensaios definitivos serão realizados utilizando os parâmetros descritos acima. Foi realizada uma alteração em relação ao proposto inicialmente, sendo que serão realizados ensaios com o método convencional de lubrificação, além dos propostos inicialmente, para poder comparar com o método mais conhecido e utilizado hoje em dia. Figura 8 Esquema dos ensaios a serem realizados

11 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A revisão bibliográfica a seguir apresenta os principais estudos realizados sobre o tema tratado neste trabalho: a técnica de mínima quantidade de lubrificante (MQL), a aplicação do fluído de corte, as variáveis de saída no processo de retificação de cerâmicas e rebolos diamantados A TÉCNICA DE MÍNIMA QUANTIDADE DE LUBRIFICANTE (MQL) Segundo Obikawa et al. (2006), a técnica de mínima quantidade de lubrificação consiste numa mistura de óleo e ar comprimido, que formando uma névoa, é aplicada na região do corte, no lugar da convencional inundação de fluidos de corte, miscíveis ou não em água. De acordo com Attanasio (2006), MQL é uma técnica que pode reduzir muitos problemas vindos do alto consumo de lubrificantes, como elevado custo de usinagem, problemas ambientais e de saúde. Ainda segundo Attanasio, a técnica de MQL apresenta outras vantagens. O cavaco, a peça e a ferramenta apresentam menos resíduos do lubrificante, o que torna sua limpeza mais fácil e econômica; durante a usinagem, a área de trabalho não fica inundada de fluido de corte, possibilitando, se necessário, observar a operação claramente. Segundo Klocke & Einsenblätter (1997), a técnica de MQL apresenta vantagens se comparado com a refrigeração convencional. Dentre elas, a redução da potência de retificação e energia específica, além da melhora da qualidade superficial e do menor desgaste do rebolo. 3.2 A TÉCNICA DE MÍNIMA QUANTIDADE DE LUBRIFICANTE (MQL) COM ÁGUA Segundo Yoshimura et al. (2005), o sistema de mínima quantidade de lubrificante com água tem melhor performance na usinagem, que os sistemas de MQL tradicional, de usinagem à seco e com bastante fluido, em relação à precisão e refrigeração em ligas de alumínio e aços inoxidáveis. Ainda segundo Yoshimura, neste método, o desgaste da ferramenta é reduzido consideravelmente em relação à usinagem a seco. Segundo Itoigawa et al. (2006), o sistema MQL com água apresenta uma alta habilidade de refrigeração devido às gotículas de água estarem envoltas por uma camada de óleo (Figura 9), além disso

12 evaporam facilmente nas superfícies da peça e da ferramenta sensibilidade e latência ao calor. refrigerando as mesmas devido à sua Figura 9 Conceito das gotículas de água em óleo (Yoshimura, 2005) 3.3 FLUIDO DE CORTE Segundo Ebbrell et al. (1999) os fluidos de cortes apresentam três funções fundamentais: resfriar o conjunto peça-rebolo, conduzindo parte do calor para o fluído; lavar a zona de retificação retirando os cavacos alojados nos poros do rebolo, evitando, desta forma, o entupimento dos mesmos; e lubrificar a região de contato peça-ferramenta, reduzindo a intensidade das forças envolvidas no processo e, também, evitando a geração de calor, por meio, principalmente, da minimização dos efeitos tribológicos, oriundos do contato peça-rebolo. Segundo Hryniewicz et al. (2000) a refrigeração é muito importante para evitar a geração de elevados gradientes térmicos, que resultam em perdas dimensionais, geométricas e de qualidade superficial. De acordo com Sokovic & Mijanovic (2001), o uso de fluidos de corte aumenta a vida útil da ferramenta, contribui com uma economia no processo e aumenta a eficiência da produção como um todo. Segundo Blenkowski (1993), os fluidos podem ser divididos em quatro grupos básicos: óleo integral, óleos solúveis (formadores de emulsões), fluidos semi-sintéticos e fluidos sintéticos. Cada classe é definida em função da quantidade de óleo presente e este pode ser mineral ou sintético. Os fluidos solúveis

13 em água são utilizados em retificações de alta velocidade, pelo fato de apresentarem as melhores capacidades de resfriamento. Os fluidos denominados sintéticos são compostos por materiais inorgânicos, não apresentando nenhum tipo de óleo mineral. O fluido semi-sintético é uma combinação de fluidos sintéticos com óleos emulsificantes, agregando as melhores propriedades de cada um deles. 3.4 PROBLEMAS CAUSADOS PELO USO DO FLUIDO DE CORTE Segundo Sokovic & Mijanovic, (2001), os fluidos de corte podem provocar sérios danos à saúde do operador da máquina, através do contato direto com a pele, pela ingestão de partículas, ou mesmo pela inspiração da nevoa, que tem um efeito irritante. Além disso, o fluido de corte pode mudar durante as seqüentes operações, deixando-o mais nocivo à saúde do operário, através de produtos de reações químicas, corpúsculos estrangeiros e microorganismos. De acordo com Hoff apud Irani (2005) a maioria dos fluidos de corte proporciona um ótimo meio para o desenvolvimento de bactérias que podem contaminar os operadores de máquinas. Ainda de acordo com esse autor tais fluidos são conhecidos por causar dermatites. Além disso, há potencialmente o efeito dos metais pesados encontrados neles que afetam o sistema respiratório e digestivo. Segundo Bennett e Gardian apud Howes et al. (1991), os danos dermatológicos e respiratórios somados, atingem de 50 à 80% dos casos de intoxicação registrados nas indústrias. 3.5 CERÂMICAS De acordo com Mamalis et al. (2002), o uso das cerâmicas no campo da Engenharia Mecânica tem crescido expressivamente nos últimos anos. As cerâmicas apresentam três características principais que fazem com que elas tenham vantagens em relação à outros materiais: a sua capacidade de operação em altas temperaturas, alta dureza e alta resistência ao desgaste. Alem disso, nota-se que a densidade das cerâmicas é bem menor que os dos aços. Os materiais cerâmicos normalmente não apresentam deformação plástica apreciável e sua resistência ao impacto é reduzida, ou seja, apresentam baixa tenacidade. A baixa deformabilidade do seu retículo cristalino resulta em elevada rigidez e dureza. Em comparação com os metais, a energia de ativação é tão alta que o limite de resistência à fratura é atingido antes do movimento de discordâncias (MARINESCU et al., 1998).

14 Ainda de acordo com Marinescu et al. (1998), como a estrutura cristalina da cerâmica é menos simétrica que a estrutura dos metais, mesmo o aumento de temperatura, próximo ao ponto de fusão não resulta na ativação de mais do que dois ou três sistemas de deslizamento de discordâncias. Assim, há pouca deformação plástica e a elevada dureza persiste mesmo em altas temperaturas, ao contrário dos metais. 3.6 REBOLOS DIAMANTADOS Shibata (1999) observa que a durabilidade do rebolo tende a aumentar com o aumento da tenacidade à fratura do grão abrasivo. Ela considera ainda que o desgaste do rebolo não dependa só das características do diamante, mas também do tipo e dureza da liga, da concentração de partículas abrasivas e das condições de retificação. Segundo Meyer & Klocke (1998), os rebolos diamantados utilizados na retificação de materiais cerâmicos são diferentes dos rebolos convencionais em três aspectos básicos: abrasivo, liga (aglomerante) e o corpo do rebolo. Segundo Jakobuss & Fiecoat (2000), os diamantes friáveis são os mais apropriados para retificar cerâmica, pois ao se micro-fraturarem constantemente, regeneram as arestas de corte, gerando menores forças para a remoção do diamante da liga e limitando o dano à peça. Shibata (1998) considera que diamantes friáveis são adequados para ligas de menor resistência mecânica (resinóide) e os diamantes com maior resistência ao impacto para ligas com maior poder de retenção, ou seja, o tipo de abrasivo deve ser especificado em função do sistema ligante utilizado.