COMPORTAMENTO DA TEMPERATURA NA INTERFACE CAVACOFERRAMENTA SOB DIFERENTES CONDIÇÕES DE CORTE
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.
Resumo. O objetivo deste trabalho é investigar a influência de diferentes parâmetros de corte
(velocidade de corte, avanço e diferentes fluidos de corte) na temperatura da interface cavacoferramenta por meio do método termopar ferramenta-peça no torneamento do aço ABNT NB 8640
(dureza média de 290 HV) utilizando ferramentas de metal duro, 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 de velocidades de
corte entre 30 e 270 m/min, taxa de avanço 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 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. Verifica-se também que a
temperatura de corte aumenta com a velocidade de corte para todos os tipos de fluidos utilizados.
O menor avanço produziu menor temperatura de forma significativa apenas para a ferramenta
K10.
Palavras-chave: temperatura de corte, fluidos de corte, MQF, metal duro, aço ABNT NB 8640
1. INTRODUÇÃO
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 extremamente 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.
Os valores máximos da temperatura 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). 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. 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, com também reduzem o limite
de escoamento dessas ferramentas (Machado e Da Silva, 1998).
Neste contexto, para que se avalie o desempenho global obtido é preciso definir um conceito de
usinabilidade, que não pode ser baseado somente em função de um único parâmetro. Uma definição
bastante pertinente é aquela que faz consideração entre a interação existente entre o material da
peça, a ferramenta de corte, a utilização ou não do fluido de corte e a máquina ferramenta (Naylor,
1979).
Normalmente, os parâmetros mais utilizados para indicar o índice de usinabilidade de materiais
são a vida e o desgaste das ferramentas e o acabamento da superfície da peça. Outros parâmetros
como a temperatura de corte, forças de corte, consumo de energia, tipo de cavaco, taxa de remoção
de material, fatores metalúrgicos (composição química, microestrutura e propriedades mecânicas)
são, também, bastante utilizados para avaliar a usinabilidade de materiais.
Os problemas produzidos pela elevação da temperatura muitas vezes podem ser eliminados com
a utilização correta do 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.,
200). 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 material não será
suficientemente garantida e o atrito aumentará. Com isso aumenta-se o desgaste por abrasão e por
adesão na ferramenta, e também uma elevação da 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 a 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
térmica e baixo coeficiente de expansão térmica poderá minimizar os danos térmicos pela
minimização da flutuação da temperatura na aresta de corte [Ezugwu et al., 1999]. A não
refrigeração afeta o comportamento térmico da máquina, e como conseqüência, a precisão
dimensional e geométrica das peças. Já a ineficiência no transporte dos cavacos pode ser mais
agravante 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 não seja ainda 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. Neste sentido, atualmente tem sido
utilizada, principalmente nas operações de torneamento de aços, a técnica conhecida como Mínima
Quantidade Fluido (MQF). Esta técnica consiste em aplicar o fluido que é pulverizado em fluxo de
ar comprimido, à uma vazão que normalmente é abaixo de 80 ml/h (Novaski and Dörr, 1999).
A importância relativa de cada uma das funções dos fluidos citadas dependerá ainda do material
usinado, do tipo de ferramenta utilizada (geometria definida ou indefinida) 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, saúde humana e 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. Obviamente, não existe um fluido que consiga atender os
requisitos citados. No entanto deve-se procurar definir os parâmetros prioritários para a operação 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, 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 óleos dos tipos 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 superfície interna 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 nocivos da presença água nas emulsões. Os fluidos
semi-sintéticos são também formadores de emulsões e apresentam de 5 a 50% de óleo mineral no
fluido concentrado, aditivos e compostos químicos que dissolvem-se 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).
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 na restrita área de contato entre a ferramenta e a 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).
Portanto objetivo deste trabalho é investigar o comportamento da temperatura variando
velocidades de corte, taxas de avanço, fluidos de corte, e ferramentas de metal duro de classes
diferentes. Com isso pretende-se identificar qual fluido apresenta melhor desempenho em termos de
refrigeração para as condições testadas.
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O material de trabalho utilizado foi o aço ABNT NB 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. Suas aplicações mais comuns são
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 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. As ferramentas da classe P30
apresentam boa tenacidade em relação às da classe K10 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).
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 usinagem 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 mínima quantidade de fluido (MQF) à uma vazão de 50 ml/h. Os outros
fluidos foram aplicados em abundância, com uma vazão de aproximadamente 5 l/min As
concentrações foram controladas por um refratômetro portátil marca Átago, modelo N1. Todos os
fluidos foram aplicados utilizando o método convencional (sobrecabeça).
Para a medição de temperatura foi empregado um método de medição desenvolvido por
Fernandes (1993), e também utilizado por (Sales, 1999) nos seus experimentos, o qual se baseia no
princípio do funcionamento dos termopares ferramenta-peça. 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 na outra extremidade do circuito).
Foram levantadas curvas de calibração para a duas ferramentas com o material da 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, é amplificado e
enviado para uma placa de aquisição de dados em um microcomputador. Com o auxílio de um
programa de computador, desenvolvido na linguagem C++, se estabelece a relação desta tensão
amplificada com a temperatura real da interface. Para isso utiliza-se a curva de calibração já
ajustada. Maiores detalhes do desta técnica podem ser obtidos do trabalho de Fernandes (1993).
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
As Figuras (1) a (4) representam 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 um 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
(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 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 a temperatura produzida pelo
fluido emulsionável 5% para a maior vc.
1000
Ferramenta K10
f = 0,138 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
Velocidade de corte (m/mim)
250
300
Figura 1. Temperatura de usinagem em função vc para condições a seco, com fluido emulsionável
5%, emulsionável 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 função de vc, ferramenta K10, para
diferentes tipos de fluido de corte e f = 0,176 mm/rot, mostra, de forma análoga à Figura (1), 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 em 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 vc para condições a seco, com fluido emulsionável
5%, emulsionável 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 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). Todos estes valores são relativamente maiores que os observados na
ferramenta K10. 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. Embora
exista relativa diferença nos valores de temperatura entre os tipos de fluido, com exceção da
condição à seco que produz valores de T ligeiramente superiores aos demais, percebe-se que para
esta ferramenta, P30, os fluidos de corte são menos eficientes no sentido de refrigeração, em relação
a ferramenta K10.
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 vc para condições a seco, com fluido emulsionável
5%, emulsionável 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 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). Notase 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 dos fluidos emulsionáveis (5 e 7%) produzem os menores valores de T,
comportamento das curvas de T também bastante semelhantes entre si, com T aumentando com
valores médios de vc (a partir de 170 m/min) e em seguida tendem 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.
1000
Ferramenta P30
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
Velocidade de corte (m/mim)
250
300
Figura 4. Temperatura de usinagem em função vc para condições a seco, com fluido emulsionável
5%, emulsionável 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 função de vc, para as ferramentas K10 e
P30, e 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. Além disso observa-se que o avanço praticamente não influi nos valores de temperatura
quando se utiliza a ferramenta P30. Para a ferramenta K10 verifica-se um ligeiro efeito do avanço.
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)
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);
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; e exerce pouca influência apenas para a ferramenta K10.
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FERNANDES, J.R.S., 1993, “Projeto e Fabricação de um Dispositivo para Medição de
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