A TEMPERATURA NA INTERFACE CAVACO-FERRAMENTA SOB
DIFERENTES CONDIÇÕES DE REFRIGERAÇÃO/LUBRIFICAÇÃO
Leonardo Oliveira Ribeiro
Rosemar Batista da Silva
Álisson Rocha Machado
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Av. João Naves de Ávila,
2.121, Uberlândia – MG, 38.400-089, Brasil.
[email protected]
Resumo. A influência da aplicação de diferentes fluidos de corte na temperatura da interface
cavaco-ferramenta foi investigada neste trabalho. Foi utilizado o método do termopar ferramentapeça no torneamento do aço ABNT 8640 (dureza média de 290 HV) usando ferramentas de metal
duro (barras de seção retangular) classes K 10 e P30. As condições testadas foram as seguintes:
torneamento contínuo a seco, com aplicação de emulsões (concentrações de 5 e 7%), óleo integral
e óleo vegetal aplicado em MQF, com velocidades de corte entre 30 e 270 m/min, taxa de avanço
de 0,138 e 0,176 mm/rot e profundidade de corte constante de 1,0 mm. De um modo geral, os
resultados indicaram que o fluido emulsionável com concentração de 5% e ferramenta K10
produziram os menores valores de temperatura na interface cavaco ferramenta para todas as
condições de corte testadas. Observa-se também que o fluido vegetal é bastante eficiente em termos
de refrigeração quando se utiliza a ferramenta P30 até vc = 150 m/min. Verifica-se também que a
temperatura de corte aumenta com a velocidade de corte para todos os tipos de fluidos utilizados e
é dependente da condutividade térmica do material da ferramenta.
Palavras-chave: temperatura de corte, fluidos de corte, MQF, metal duro, aço ABNT 8640.
1. INTRODUÇÃO
Algumas das técnicas mais utilizadas para se determinar a capacidade de
refrigeração/lubrificação de fluidos na usinagem são aquelas que estão relacionadas com as
variáveis do processo tais como a temperatura e força de corte, e também aquelas que utilizam os
parâmetros resultantes do processo de usinagem, como, por exemplo, a vida e desgaste da
ferramenta e qualidade da superfície usinada.
Dentre os vários fatores que afetam diretamente as condições de trabalho entre a ferramenta e a
peça, a temperatura na ferramenta é um fator que limita bastante a produtividade das operações de
usinagem, principalmente quando são desenvolvidas altas temperaturas durante o processo de corte
às quais afetam fortemente o desempenho das ferramentas de corte, responsáveis em grande parte
pela produtividade destas operações. Assim, um maior entendimento sobre o comportamento das
temperaturas envolvidas na interface cavaco-ferramenta é de extrema importância para se fazer o
correto dimensionamento e/ou seleção das ferramentas de corte empregadas no processo de
usinagem.
Em usinagem as temperaturas máximas situam-se em regiões específicas, bem próximas à aresta
de corte, onde as tensões atuantes (normais e cisalhantes) são altamente elevadas (Trent, 1991).
Como no processo de torneamento apenas 8 a 10% do total de calor gerado é transferido para a
ferramenta, a maior parte deste calor é dissipado pelo cavaco, mas uma pequena parcela é
conduzida na peça, e aumenta a sua temperatura, podendo às vezes causar problemas de precisão
dimensional (Machado e Da Silva, 1998). Apesar desse pequeno percentual, as temperaturas podem
atingir valores surpreendentemente elevados. A ferramenta funciona, então, como um sorvedouro
térmico. Isto é mais um agravante para ferramenta podendo acelerar o desgaste nesta região.
Desta forma a quantidade de calor que flui para a ferramenta, ou melhor, o seu comportamento
durante o processo de usinagem, irá depender da condutividade térmica da ferramenta, das
condições de corte (velocidade de corte (vc), avanço (f) e do tipo e geometria da ferramenta de
corte), condições da máquina e material da peça a usinar, além, é claro, da eventual aplicação de um
fluido de corte.
No que se refere à condutividade térmica, particularmente das ferramentas de metal duro,
Brookes (1979) afirma que esta propriedade é inversamente proporcional ao teor de cobalto
presentes nestas ferramentas. Segundo El Baradie (1996) um fluido de corte satisfatório deve ter
elevada condutividade térmica e elevado calor específico.
Sendo a temperatura da interface cavaco-ferramenta fortemente influenciada pela velocidade de
corte, haverá, portanto, um limite prático na velocidade de corte, para cada par ferramenta-peça. As
altas temperaturas nas ferramentas de corte não só aceleram os mecanismos de desgaste
termicamente ativados, como também reduzem o limite de escoamento dessas ferramentas
(Machado e Da Silva, 1998).
Os problemas produzidos pela elevação da temperatura muitas vezes podem ser eliminados com
a utilização correta de um fluido de corte. Mas atualmente, face à grande tendência de preocupação
ambiental, a utilização dos fluidos de corte tem sido bastante questionada. Embora tenham
significativa importância dentro da maioria dos processos de produção, os fluidos de corte
apresentam-se como um dos principais agentes nocivos ao homem (operador e meio ambiente).
Como conseqüência, principalmente da forma incorreta de descarte e não reciclagem que agridem o
meio ambiente, os órgãos de legislação ambiental têm exigido cada vez mais a restrição de sistemas
que provocam tais problemas, com a imposição de leis ambientais rigorosas (Weingaertener et al,
2000). Além disso, grande atenção tem sido dada aos custos envolvidos no processo de aplicação de
fluidos de corte.
Por outro lado, quando se abre mão da utilização de fluidos de corte, algumas de suas funções
poderão ser comprometidas. As principais funções deles são redução do atrito (lubrificação),
redução do calor (refrigeração) e auxílio ao transporte de cavacos (limpeza). Se a função de
lubrificação é abolida, a camada de separação entre a ferramenta e o cavaco não será
suficientemente garantida e o atrito aumentará. Com isso aumenta-se o desgaste na ferramenta, e
eleva-se a temperatura no processo. Com o aquecimento, os cavacos terão mais dificuldade para
adquirir uma forma mais definida e podem soldar-se à ferramenta (Novaski e Dörr, 1999).
Devido à presença de elevadas temperaturas de corte e penetração periódica do fluido na
superfície em questão, a ferramenta de corte poderá estar sujeita a contínuos estados de expansões e
contrações. Assim, uma ferramenta com boa condutividade e baixo coeficiente de expansão térmica
poderá ter os danos térmicos reduzidos pela minimização da flutuação da temperatura na aresta de
corte (Ezugwu et al, 1999-b).
A não refrigeração afeta o comportamento térmico da máquina, e como conseqüência, a precisão
dimensional e geométrica das peças.
Quanto à ineficiência no transporte dos cavacos o problema é mais grave em operações de
furação, onde é necessário retirar os cavacos da região de corte durante a usinagem. Embora em
alguns casos a usinagem a seco seja possível, tendo em vista estas considerações, esta condição fica
bastante restrita ou praticamente descartada. Assim, uma outra alternativa seria tentar minimizar a
utilização dos fluidos de corte visando uma operação não agressiva ao meio ambiente e com
menores custos de produção.
Atualmente tem sido utilizada, principalmente nas operações de torneamento de aços, a técnica
conhecida como Mínima Quantidade de Fluido (MQF). Esta técnica consiste em aplicar o fluido
que é pulverizado em fluxo de ar comprimido, a uma vazão que normalmente é abaixo de 80 ml/h
(Novaski e Dörr, 1999). Como mencionado anteriormente, a correta seleção do fluido de corte
utilizando esta técnica e de fundamental importância para se obter máxima eficiência do processo.
Uma outra técnica de aplicação de fluidos de corte, embora não seja utilizada neste trabalho, é a
aplicação de fluidos à alta pressão (0,5 – 360 MPa). Esta técnica é normalmente utilizada na
usinagem de materiais considerados de difícil usinabilidade, e praticamente impossíveis de serem
usinados a seco, tais como o aço inoxidável austenítico, aços endurecidos, ligas de titânio e ligas de
níquel, dentre outros. Esta técnica tem sido investigada há vários anos por Pigott e Coweell, 1952;
Sharma et al, 1971; Kishi et al, 1975; Mazurkiewicz et al, 1989; Ezugwu e Pashby, 1990; Machado,
1990; Lindeke et al, 1991; Wertheim et al, 1992; e, mais recentemente, por Kovacevic et al, 1995;
Vigneau, 1997; Dalhman e Kaminski, 1999; Kaminski e Alvelid, 2000; Lopez De Lacalle et al,
2000 e Rahman et al, 2000, os quais tem alcançado, de um modo geral, bons resultados em termos
de aumento produtividade na industria metal-mecânica em ralação aos métodos convencionais de
aplicação de fluido de corte. Algumas vantagens da sua utilização são a diminuição da temperatura
na zona de corte, aumento da vida da ferramenta em ate 500%, menores forças de corte, por
proporcionar melhores condições na interface cavaco-ferramenta, menores níveis de vibração do
sistema, como também uma melhor integridade superficial e tolerâncias mais estreitas das peças
usinadas.
A importância relativa de cada uma das funções dos fluidos citadas anteriormente dependerá
ainda do material usinado, do tipo de ferramenta utilizada, das condições de corte, do acabamento
da superfície e do controle dimensional exigido. As considerações para a seleção correta do fluido
de corte dependerão de vários fatores inter-relacionados, como por exemplo, aspectos econômicos,
tipo de máquina operatriz, custos relacionados aos procedimentos de descarte, tipo de sistema de
circulação do fluido, risco à saúde humana, contaminação do fluido, meios de controle, método de
aplicação do fluido, severidade da operação, materiais usinados e compatibilidade do metal com o
fluido, dentre outros. Devido a dificuldade em se encontrar um fluido que consiga atender a todos
os requisitos citados, sugere-se estabelecer os parâmetros prioritários para a operação de usinagem
desejada e verificar entre os fluidos existentes, aqueles que mais se adequam aos aspectos
previamente estabelecidos (Da Silva e Brandi, 2000).
Sobre os tipos de fluidos de corte, não existe uma padronização única estabelecida entre as
empresas fabricantes. Uma classificação bastante difundida por Machado e Diniz (2000) agrupa os
produtos em ar; aquosos: emulsões (óleos solúveis) e soluções químicas; e óleos que são
representados pelos minerais, graxos, compostos, de extrema pressão e os de usos múltiplos.
O ar comprimido visa resfriar a região de corte através de um jato, puro ou misturado a outro
fluido, na interface contra a saída do cavaco. A água tem sua aplicação bastante restrita por ser
altamente corrosiva aos materiais ferrosos.
As emulsões constituem de óleos minerais adicionados à água em proporções que podem variar
de 1:10 a 1:100 com agentes emulgadores que garantem a miscibilidade com a água. Normalmente
empregam-se aditivos anticorrosivos, tais como nitreto de sódio para minimizar os efeitos
corrosivos da água nas emulsões. Os fluidos semi-sintéticos são também formadores de
microemulsões e apresentam de 5 a 50% de óleo mineral no fluido concentrado, aditivos e
compostos químicos que se dissolvem na água formando moléculas individuais.
As soluções são compostos monofásicos de óleos dissolvidos completamente na água.
Pertencem a esta classe os fluidos sintéticos os quais são livres de óleo mineral em suas
composições; baseiam-se em substâncias químicas que formam uma solução com a água. Eles
apresentam uma vida maior já que são menos suscetíveis ao ataque das bactérias, e reduzem o
número de trocas na máquina.
Quanto aos óleos minerais, também conhecidos como óleos integrais, encontram-se na forma
pura ou com aditivos, normalmente de alta pressão. Estes óleos são hidrocarbonetos obtidos a partir
do refinamento do petróleo cru. As suas propriedades dependem do comprimento da cadeia,
estrutura e grau de refinamento (Machado e Diniz, 2000). Ainda pertencentes à classe dos óleos
integrais, estão os fluidos vegetais que ultimamente tem sido bastante utilizados na usinagem de
metais.
Quanto aos métodos de medição de temperatura, vários pesquisadores têm dado atenção especial
à determinação desses valores, através da utilização de inúmeras técnicas de medição. Por mais que
os métodos desenvolvidos tenham se evoluído, existe uma enorme dificuldade para divulgar com
exatidão o valor da temperatura obtida nas restritas áreas de contato cavaco-ferramenta-peça para
uma determinada condição (Matosinhos, 1999). As técnicas mais importantes para a determinação
da temperatura de corte são através dos métodos calorimétricos, método do termopar ferramentapeça; termopar implantado, inspeção metalográfica, utilização de tintas termosensíveis, sais com
ponto de fusão constante, medições da radiação infravermelha e através de métodos analíticos e
numéricos. Machado e Da Silva (1998) e De Melo (1998) admitem que todos estes métodos, sem
exceção, apresentam limitações. A técnica do termopar ferramenta-peça tem sido bastante utilizada
no torneamento por ser considerado um dos métodos que fornece melhor exatidão para a aplicação
dentre todos os métodos citados anteriormente (Trent, 1991).
Este trabalho tem o objetivo de investigar o comportamento da temperatura de corte na interface
cavaco-ferramenta sob diferentes condições de refrigeração/lubrificação, variando-se a velocidade
de corte e a taxa de avanço, no torneamento do aço ABNT 8640 utilizando ferramentas de duas
classes de metal duro. Com isso pretende-se identificar qual fluido apresenta melhor desempenho
em termos de refrigeração para as condições testadas.
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O material da peça utilizado foi o aço ABNT 8640, laminado a quente e normalizado, com valor
médio de dureza Vickers HV = 290 kgf/mm2 na forma de barras cilíndricas de diâmetro
61,4 mm x 500 mm de comprimento. Este material é bastante utilizado na indústria automobilística
por apresentar boa resistência mecânica e boa temperabilidade. Sua aplicação mais comuns é em
fabricação de elementos de transmissão de eixos.
Os corpos de prova foram preparados através do torneamento com ferramenta de sacrifício (para
remoção de irregularidades e assegurar centragem exata das barras em relação ao torno após a
fixação da peça na placa e contra ponta) resultando em um diâmetro de 60,4 mm. Após a fixação, a
peça foi usinada em testes, até um diâmetro de 53,4 mm. Os ensaios foram realizados em um torno
mecânico, modelo IMOR MAXI-II 520, (6 CV de potência). As ferramentas utilizadas foram
confeccionadas em barras de metal duro integral (classes K10 e P30), adquiridas da
WOLFRAMCARB, retificadas para a seguinte geometria: γ0 = 6º; α0 = 5º; χr= 75º; εr = 90º e λs = 0º.
Propriedades de algumas ferramentas de metal duro podem ser vistas na Tabela 1. As ferramentas
da classe K10 apresentam maior valor de condutividade térmica em relação às ferramentas da classe
P30. Entretanto, estas ultimas apresentam boa tenacidade em relação às primeiras e são geralmente
utilizadas em operações de usinagem em geral, com relativas baixas e médias velocidades de corte e
seções de corte médias e grandes (Machado e Da Silva, 1998).
Tabela 1. Propriedades térmicas das ferramentas de metal duro (Sandvik apud Brookes, 1979).
Código
ISO
K10-20
K30
M10-20
M30-40/P50
P05-15
P20-P30
Composição Química (Vol. %)
WC TiC Ta (Nb)C
Co
Condutividade Térmica
(W.m-1.C-1) a 400ºC
Densidade
(g.cm-3)


10

32
21
95
90
60
80
30
45
15,0
14,7
14,0
14,3
10,9
12,6
95,2
91
83
87
59
68
5,8
9
7
13
9
11
As condições 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
avanço f = 0,138 mm/rot e 0,176 mm/rot com profundidade de corte, ap = 1,0 mm.
Além da condição a seco, os fluidos de corte utilizados neste trabalho foram os seguintes:
emulsionável às concentrações de 5 e 7%, o fluido mineral, fluido integral e o vegetal. Este último
foi aplicado sob forma de mínima quantidade de fluido (MQF) a uma vazão de 50 ml/h. Os outros
fluidos foram aplicados em abundância, sobrecabeça, com uma vazão de aproximadamente 5 l/min
As concentrações foram controladas por um refratômetro portátil marca Átago, modelo N1.
Para a medição de temperatura foi empregado o método do termopar ferramenta-peça, adaptado
por Fernandes (1993), e também utilizado por Sales (1999) nos seus experimentos. A junta quente
do termopar está 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 força
eletromotriz (fem) proporcional à diferença de temperatura entre a junta quente e a junta fria (junta
de conexão à temperatura de 0º mantida dentro de um recipiente térmico com gelo e água, na outra
extremidade do circuito). Foram levantadas curvas de calibração para os dois pares ferramenta-peça
(K10/8640 e P30/8640) a fim de estabelecer relação entre a diferença de potencial obtida (mV) com
a temperatura na interface (ºC). O sinal elétrico gerado pela região aquecida entre o cavaco e a
ferramenta, que apresenta uma relação bastante linear com a temperatura da junta, foi amplificado e
enviado para uma placa de aquisição de dados em um microcomputador. Com o auxílio de um
programa, desenvolvido na linguagem C++, se estabeleceu a relação desta tensão amplificada com a
temperatura real da interface. Para isso utilizou-se a curva de calibração já ajustada. Maiores
detalhes desta técnica podem ser obtidos no trabalho de Fernandes (1993).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
As Figuras (1) a (4) apresentam as curvas de temperaturas em função das velocidades de corte
para as diversas condições de aplicação 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 avanço (f) de 0,138 mm/rot, verifica-se que o aumento da velocidade de corte
implica em aumento da temperatura de usinagem na interface cavaco-ferramenta para todas as
condições testadas. Todas as temperaturas (T) registradas foram superiores a 260ºC. Na velocidade
baixa (em torno de 33 m/min) as temperaturas relativamente baixas são conseqüências,
principalmente, da presença da aresta postiça de corte (APC), que eleva a fonte principal de calor
(na zona de cisalhamento secundária) para uma região afastada da superfície de saída. Nestas
condições, além da ação refrigerante, a ação lubrificante do fluido pode ser muito importante.
Observa-se ainda da Figura 1 que para baixas vc (até 100 m/min) o fluido integral produz as
menores temperaturas de corte. Para valores superiores a vc = 100 m/min, o fluido emulsionável 5%
mostra-se mais eficiente como refrigerante e aumenta a temperatura em apenas 13,5% ao passar de
vc = 125 m/min para 248 m/min. Quanto ao fluido emulsionável 7%, nota-se que comportamento da
temperatura é bastante semelhante ao da curva de temperatura do fluido integral a partir de
vc = 100 m/min. O fluido vegetal (MQF) demonstra não ser bom refrigerante em relação aos outros
fluidos utilizados uma vez que as temperaturas foram relativamente superiores. A condição a seco
produz os maiores valores de temperaturas em comparação com os fluidos utilizados, atingindo o
valor de 781ºC para a maior vc. Este valor representa um aumento de 60% em relação à temperatura
produzida pelo fluido emulsionável 5% para a maior vc.
Sales et al (1999) ao investigarem a capacidade refrigerante de fluidos de corte, utilizando
ferramentas de metal duro integral (classe K10), o mesmo material de peca e faixa de velocidades
de corte e praticamente os mesmos fluidos de corte, porem com avanço reduzido pela metade,
verificaram a seguinte ordem crescente de capacidade refrigerante: emulsionável 5%, seco e
integral. A divergência entre os resultados, possivelmente, se deve ao aumento taxa de avanço. Ao
se duplicar o valor do avanço aumenta-se a área de contato cavaco-ferramenta, que por sua vez
diminui o tempo de contato. Nestas condições a maior capacidade de lubrificação do fluido integral
(Sales et al, 1999), que também pode provocar redução na temperatura devido à redução do atrito, é
suprimida pela maior capacidade de refrigeração do fluido emulsionável.
1000
Ferramenta K10
f = 0,138 mm/rot
ap = 1 mm
Temperatura (ºC)
800
600
400
Seco
Emulsionável 5%
Vegetal - MQF
200
0
0
50
Emulsionável 7%
Integral
100
150
200
Velocidade de corte (m/mim)
250
300
Figura 1. Temperatura de usinagem em função de vc para avanço de 0,138 mm/rot, ferramenta K10.
A Figura 2, que apresenta os valores de temperatura em função de vc, ferramenta K10, para
diferentes tipos de fluido de corte e f = 0,176 mm/rot, mostra, de forma análoga à Figura1, que os
valores de temperaturas aumentam com vc para todas as condições testadas. Verifica-se que curva
para o fluido emulsionável 5% apresenta os menores valores de temperatura (inferiores a 583ºC)
dentre todas as condições testadas (com exceção do menor valor de vc, quando fluido integral
apresenta menor temperatura). Novamente a condição a seco apresenta os maiores valores de T,
seguida pela curva que representa a aplicação de fluido vegetal-MQF. Observa-se também que
todos os valores de temperatura são relativamente maiores que os observados na Figura 1, onde
f = 0,138 mm/rot.
1000
Ferramenta K10
f = 0,176 mm/rot
ap = 1 mm
Temperatura (ºC)
800
600
400
Seco
Emulsionável 5%
Vegetal - MQF
200
Emulsionável 7%
Integral
0
0
50
100
150
200
250
300
Velocidade de corte (m/mim)
Figura 2. Temperatura de usinagem em função de vc para avanço de 0,176 mm/rot, ferramenta K10.
A Figura 3 apresenta os valores de temperatura em função de vc, ferramenta P30, para diferentes
tipos de fluido de corte e f = 0,138 mm/rot. Observa-se também a tendência de elevação da
temperatura com vc para todas as condições testadas, semelhante à encontrada para a ferramenta
K10, Figuras 1 e 2. O fluido integral produz os menores valores de temperaturas para relativas
baixas e médias vc dentre todas as condições testadas. Para valores maiores de vc o fluido
emulsionável 7% demonstra ser levemente mais eficiente em relação ao emulsionável 5% e ao
integral.
Observa-se que a diferença nos valores de temperatura entre os tipos de fluido são relativamente
pequenas, com a condição a seco apresentando valores de T ligeiramente superiores aos demais.
Percebe-se que para esta ferramenta P30 os fluidos de corte são menos eficientes na refrigeração
em relação à ferramenta K10, pois os valores de temperatura são relativamente maiores que os
observados na ferramenta K10. A resposta para esta diferença entre eficiências de refrigeração pode
estar relacionada com o menor valor de condutividade térmica da ferramenta P30. Como menor
fluxo de calor e transferido para a superfície da ferramenta, a ação de refrigeração dos fluidos não é
tão eficiente quanto como observado para a ferramenta K10.
Outra observação interessante é a performance do fluido vegetal-MQF, que nesta ferramenta
P30 apresentou valores de temperaturas similares aos apresentados pelos demais fluidos de corte.
1000
Ferramenta P30
f = 0,138 mm/rot
ap = 1 mm
Temperatura (ºC)
800
600
400
Seco
Emulsionável 5%
Vegetal - MQF
200
0
0
50
100
150
200
Velocidade de corte (m/mim)
Emulsionável 7%
Integral
250
300
Figura 3. Temperatura de usinagem em função de vc para avanço de 0,138 mm/rot, ferramenta P30.
A Figura 4 apresenta os valores de temperatura em função de vc, ferramenta P30, para diferentes
tipos de fluido de corte e f = 0,176 mm/rot. Em geral, observa-se a tendência de elevação da
temperatura com vc para todas as condições testadas, semelhante às Figuras 1, 2 e 3. Nota-se que
tanto o fluido integral como o vegetal – MQF produzem valores menores de T em relação às outros
fluidos até valores relativamente médios de vc (em torno de 130 m/min). Para valores maiores de vc
os fluidos emulsionáveis (5 e 7%) produzem os menores valores de T.
Assim como observado nas Figuras 1, 2 e 3, o comportamento das curvas de T são bastante
semelhantes entre si, com T aumentando com valores médios de vc e em seguida diminuindo a taxa
de crescimento (a partir de 170 m/min), tendendo a permanecer praticamente constante para valores
de vc superiores aquele. A condição a seco também apresenta os maiores valores de T para esta
ferramenta, embora estes valores sejam bem próximos das mesmas condições utilizadas para a
ferramenta P30, f = 0,138 mm/rot.
Heisel et al (1998), ao investigarem a influencia de diferentes formas de
refrigeração/lubrificação utilizando o óleo sintético a base de éster, incluindo a técnica de inundação
(convencional), a seco e MQF no torneamento do aço AISI 52100 com insertos de metal duro (P25)
a uma velocidade de corte de 200 m/min, verificaram que a técnica de refrigeração convencional
produziu o menor valor de temperatura de corte (medida com termoelementos debaixo da pastilha
de corte), cerca de 60% menor que a usinagem a seco. A técnica de MQF ocupou uma posição
intermediaria. Em relação à vida da ferramenta até atingir uma largura de desgaste na superfície de
saída de 0,3 mm, eles observaram que a ferramenta submetida à refrigeração por MQF apresentou
uma vida 10% mais longa em relação à técnica convencional. Em comparação com a usinagem a
seco, este valor aumentou em até 14%.
1000
Ferramenta P30
f = 0,176 mm/rot
ap = 1 mm
Temperatura (ºC)
800
600
400
Emulsionável 7%
Integral
Seco
Emulsionável 5%
Vegetal - MQF
200
0
0
50
100
150
200
Velocidade de corte (m/mim)
250
300
Figura 4. Temperatura de usinagem em função de vc para avanço de 0,176 mm/rot, ferramenta P30.
A Figura 5 apresenta os valores de temperatura em função de vc, para as ferramentas K10 e P30
para os dois valores de avanço (0,138 e 0,176 mm/rot), utilizando o fluido emulsionável 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 são alcançados utilizando a
ferramenta K10, que é em média 35% menor que os valores encontrados utilizando a ferramenta
P30. Esse resultado pode ser atribuído ao maior valor da condutividade térmica da ferramenta K10,
que por sua vez está relacionada com a composição química da ferramenta (Brookes, 1979). Se a
ferramenta permite que um maior fluxo de calor seja transferido a superfície, conseqüentemente,
para um mesmo fluido refrigerante, haverá maior troca térmica.
Temperatura (ºC)
800
Ferramentas K10 e P30
Emulsionável 5%
600
400
P30/f = 0,138 mm/rot
P30/f = 0,176 mm/rot
K10/f = 0,138 mm/rot
K10/f = 0,176 mm/rot
200
0
0
50
100
150
200
Velocidade de corte (m/mim)
250
300
Figura 5. Temperatura de usinagem em função vc e f para as ferramentas K10 e P30
com fluido emulsionável 5%(ap = 1 mm).
Ezugwu et al (1999-a) atribuíram a maior taxa de desgaste difusivo das ferramentas de metal
duro classe P20-30 revestidas com nitreto de titânio em relação às ferramentas da classe K05-20
revestidas com cerâmica a base de alumina, ao maior teor de cobalto, dentre outras causas, na
operação de rosqueamento do aço 708M40T. Ao usinar o aço AISI 1045 com ferramentas de metal
duro (classes K20 e P20) revestidas com cerâmica a base de alumina (20 µm de espessura) na
condição a seco, Obikawa et al (1997) verificou que o substrato que apresentava maior valor de
condutividade térmica (K20) produziu menor taxa de desgaste. Em relação à taxa de avanço
verifica-se que este praticamente não influi nos valores de temperatura quando se utiliza a
ferramenta P30. Entretanto, para a ferramenta K10 verifica-se um ligeiro efeito do avanço.
4. CONCLUSÕES
As seguintes conclusões podem ser tiradas deste trabalho:
• A temperatura de corte aumenta com a velocidade de corte para todas as condições
testadas.
• De um modo geral a ferramenta de metal duro classe K10 com fluido emulsionável 5%
produz as menores temperaturas de corte para todas as condições testadas, alcançando o
valor máximo em torno de 500ºC para ferramenta K10 (vc = 278 m/min e
f = 0,138 mm/rot);
• O fluido vegetal na condição MQF se mostra bastante eficiente como refrigerante
quando se utiliza a ferramenta P30 ate vc = 150 m/min;
• A condição de usinagem a seco apresenta maior valor de temperatura para todas as
condições testadas, alcançando o valor máximo em torno de 850ºC 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 condições testadas;
• A ferramenta que possui maior valor de condutividade térmica (K10) apresenta os
menores valores de temperaturas.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a FAPEMIG, CAPES e CNPq pelo apoio financeiro dado a esta
pesquisa.
6. REFERÊNCIAS
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THE TEMPERATURE IN TOOL-CHIP INTERFACE UNDER DIFFERENT
COOLING/LUBRICATION CONDITTIONS
Leonardo Oliveira Ribeiro
Rosemar Batista da Silva
Álisson Rocha Machado
Federal University of Uberlândia, Faculty of Mechanical Engineering, Av. João Naves de Ávila,
2.121, Uberlândia – MG, 38.400-089, Brazil.
[email protected]
Abstract. The influence of the application of different cutting fluids on the temperature at the toolchip interface was investigated in this work. A tool-workpiece thermocouple method was utilized to
measure the temperature while turning o AISI 8640 steel (290 HV) with K10 and P30 grade solid
cemented carbides tools. The machining trials were carried out with integral oil, vegetable oil
applied as minimum quantity lubrication, emulsified oils (concentrations of 5 and 7%) and dry
condition at cutting speeds between 30 and 270 m min-1, feed rate of 0.138 and 0.176 mm rev-1 and
a depth of cut of 1.0 mm. In general the results indicated that 5% concentration of emulsified oil
gave least temperature at the tool-chip interface when machining with K10 grade cemented
carbide tool. In addition, it was observed that the vegetable oil is very efficient in terms of cooling
action when machining with P30 tool up to a speed of 150 m min-1. It was also shown that the
cutting temperature increased with increasing cutting speed irrespective of the cutting fluid used,
but depends on thermal conductivity of tool material.
Keywords: cutting temperature, cutting fluids, minimum quantity lubrication, cemented carbide,
AISI 8640 steel.