Faculdade de Tecnologia SENAI Belo Horizonte
Pós-graduação: Gestão em Processos Metalúrgicos
NÚCLEO DE COMPETÊNCIAS ESPECÍFICAS
TECNOLOGIA DA USINAGEM
Prof.: William Xavier d’Alcântara
Materiais para Ferramenta de Corte
Exigências básicas para um material
para ferramenta de corte
• Elevada dureza a quente;
• Elevada dureza a frio bem superior à da peça
usinada;
• Tenacidade para resistir aos esforços de corte e
impactos;
• Resistência à abrasão;
• Estabilidade química;
• Facilidade de obtenção a preços econômicos.
Classificação dos materiais de corte
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Aços ferramenta
Aços rápidos comuns
Aços rápidos ao cobalto
Ligas fundidas
Carbonetos sinterizados
Cerâmicas de corte
Diamantes
Nitreto de boro cristalino cúbico (CBN)
Lista dos materiais para ferramentas de corte
Variação da dureza de alguns materiais de ferramentas
de corte com a temperatura
Dureza a quente de alguns materiais de corte Fonte:
(KÖNIG e KLOCKE, 2002)
Evolução da Vc (velocidade de corte)
Comparação dos materiais para
ferramentas de corte
Materiais para ferramentas de corte
Aço-carbono
- C de 0,8 a 1,5 %;
- Até 1900 eram os únicos materiais disponíveis
para ferramentas
- utilizados em baixíssimos Vc, no ajuste de
peças.
- Comum até 200° C (limas, machos manuais);
- Com elementos de liga (V, Cr, Mo e W) até
400° C (brocas, machos, etc.)
Principais vantagens
- Baixo custo
- Facilidade de usinagem (gumes muito vivos)
- Fácil tratamento térmico
- Quando bem temperado, elevada dureza e
resistência ao desgaste
- Boa tenacidade.
Aço-rápido
- Desenvolvido por Taylor e apresentado
publicamente em 1900 na exposição
mundial de Paris;
- Indicados para operações de baixa e
média Vc;
- Dureza a quente até 600° C;
- Elementos de ligas, W, Co, Mo, Cr e V;
- Desvantagens: preço elevado e difícil
tratamento térmico.
Aços rápidos com cobalto
• Surgiram em 1921;
• O cobalto aumenta a dureza a quente e a
resistência ao desgaste, mas diminui a
tenacidade;
• Teor de Co varia de 5 a 12%.
Aço rápido com revestimento de TiN
• Revestimento de TiN (1 a 3 m de espessura) aplicado por
processos PVD (Physical Vapor Deposition) abaixo de 550°C
conferem aparência dourada;
• Redução do desgaste da face e do flanco, pelo aumento da
dureza;
• Diminuição do coeficiente de atrito reduzindo Fc e
melhorando o acabamento superficial
• TiN protege o metal base contra temperatura;
• Sucesso da ferramenta depende mais da adesão do
revestimento do que da sua espessura;
• Lascamento do revestimento tem sido a principal causa de
falha
• Bons resultados em usinagem com corte interrompido
(fresamento, plainamento, etc.)
Aço rápido sinterizado
• Obtidos por processos de metalurgia do pó
(sinterização);
• Estrutura cristalina muito fina e uniforme;
• Menor deformação na têmpera e no revenido;
• Menos tendência a trincas e tensões internas;
• Tenacidade um pouco mais alta;
• Vida mais longa;
• Melhor aderência de revestimentos de TiN.
Ligas fundidas
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•
Descobertas por Haynes em 1922;
Altas porcentagens de W, Cr e Co;
As ligas são fundidas e vazadas em moldes;
Nomes comerciais: Stellite, Tantung, Rexalloy,
Chromalloy, Steltan (Brasil);
• Composição típica: W = 17%, Cr = 33%, Co = 44%, Fe = 3%
• Elevada resistência a quente permite utilização em
temperaturas em torno de 800º C;
• Qualidades intermediárias entre o aço rápido e o
metal duro.
Metal duro
• Em 1927 a Krupp lançou o produto Widia (“Wie
diamant” – como diamante);
• Composição típica: 81% de W, 6% de C e 13%
de Co;
• Tungstênio (W), metal de mais alto ponto de
fusão (3387º C)
• Maior resistência à tração (4200 N/mm2)
• Mais baixo coeficiente de dilatação térmica
• A dificuldade de fusão do W levou ao
desenvolvimento da metalurgia do pó
Sistemas de fixação de insertos
Características do metal duro
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•
•
Elevada dureza;
Elevada resistência à compressão;
Elevada resistência ao desgaste;
Possibilidade de obter propriedades
distintas nos metais duros pela mudança
específica dos carbonetos e das
proporções do ligante.
• Controle sobre a distribuição da estrutura.
Componentes dos metais duros e
suas propriedades
• Adição de carboneto de titânio e de
tântalo ao metal duro reduz
grandemente o atrito;
• Estes carbonetos apresentam dureza
maior que o de tungstênio;
• Atualmente são usados como
componentes dos metais duros.
WC – Co
• O carboneto de tungstênio é solúvel no
cobalto, e em decorrência disso temos
uma alta correspondência entre a
resistência de ligação interna com boa
resistência de gume.
• Porém o carboneto de tungstênio tem
limitações de velocidade de corte devido a
sua alta afinidade de difusão em
temperaturas mais elevadas.
TiC
•Pouca tendência à difusão
Maior resistência
a quente;
•Menor resistência de ligação interna
Menor
resistência do gume;
•Metais duros com altos teores de TiC são frágeis
e de fácil fissura;
•Usados para usinagem de materiais ferrosos em
altas velocidades.
TaC
• Pequenas quantidades diminuem o
tamanho dos grãos aumentando a
tenacidade e a resistência do gume
NbC
• Efeito semelhante ao TaC
Revestimentos em camadas
TiN (nitreto de titânio)
- Maior estabilidade química e dureza do
que o TiC;
- Menos propício ao desgaste de cratera na
usinagem de materiais ferrosos.
- Revestimento usado em aplicações gerais
(SHAW, 2005);
TiCN (carbonitreto de titânio)
- Revestimento multicamada que concilia a
aderência do TiC ao substrato com a
estabilidade química e menor fragilidade e
coeficiente de atrito do TiN. Revestimento
usado em corte interrompido (SHAW,
2005);
TiNAl
- Revestimento multicamada que combina as
propriedades do óxido de alumínio e do
nitreto de titânio;
- Bastante utilizado em ferramentas para
fabricação de moldes e matrizes, oferecendo
alta resistência e baixa condutividade térmica
- (GAMARRA, 2003). Este revestimento é
usado em aplicações HSC para corte à seco.
Al2O3 (óxido de alumínio)
- Elevada fragilidade;
- Preponderantemente empregado em operações de
torneamento;
- Susceptível a quebras por choques mecânicos e
térmicos;
- Sua aplicação sobre o metal duro necessita de uma
camada prévia de TiC para ancoragem ao
substrato;
- A principal vantagem é a isolamento térmico e
elétrico por causa de sua baixa condutividade
Processos para revestimento de
ferramentas
Processo de deposição química a vapor
- CVD (Chemical Vapour Deposition);
- Deposição por meio de reações químicas;
- Faixa de temperatura entre 900 e 1100°C;
Processo de deposição física a vapor
- PVD (Physical Vapour Deposition);
- Deposição ocorre por meio de vapores gerados
no interior de um forno a baixa pressão;
- Temperaturas em torno de 500° C;
- Possibilidade de revestir substratos de açorápido;
- Obtenção de revestimentos com granulometria
mais fina
Principais revestimentos na atualidade e
forma de deposição (Santos, 2002)
Efeito de alguns elementos sobre o
metal duro
Classes de metais duros
• Classe P: (WC + Co com adições de TiC, TaC e às
vezes NbC) aplicamos a usinagem de aços e
materiais que produzem cavacos longos;
• Classe K: (WC + Co puros) usinagem do FoFo e
das ligas não ferrosas que produzem cavacos
curtos;
• Classe M: intermediária.
• As ferramentas de cortes de metal duro operam com
elevadas Vc, temperaturas até 1300°C.
Cermet
• Cermet é um composto formado por
cerâmica e metal (CERâmica/Metal);
• 1930, os primeiros cermets (Ti/Ni),frágeis
e pouco resistentes à deformação
plástica;
• Evoluiram a margem do metal duro.
Característica do Cermet
• boa resistência a corrosão;
• baixa tendência a formação de gume
postiço;
• boa resistência a corrosão;
• boa resistência ao desgaste;
• resistência a temperatura elevada;
• alta estabilidade química;
Cerâmicas
• Hoje encontramos dois tipos básicos de
cerâmica:
• base de óxido de alumínio.
• base de nitreto de silício.
Características das cerâmicas
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•
Alta dureza à quente (1600oC)
Não reage quimicamente com o aço;
Longa vida da ferramenta;
Usado com alta velocidade de corte;
Não forma gume postiço.
Característica da cerâmica não
metálica em relação ao aço
•
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•
•
1/3 da densidade do aço;
alta resistência a compressão;
muito quebradiço;
módulo de elasticidade em torno de 2 vezes
ao do aço;
• baixa condutividade térmica;
• velocidade de 4 à 5 vezes a do metal duro;
• baixa deformação plástica;
Aplicação das Cerâmicas
• Ferro Fundido;
• Aço endurecido; (hard steels)
• Ligas resistentes ao calor. (Heat resistant
alloys)
Fabricação de cerâmicas
Pó finíssimo de Al2O3 (partículas
compreendidas entre 1 e 10 mícrons) mais
ZrO2 (confere tenacidade a ferramenta de
corte) é prensado, porém apresenta-se muito
poroso. Para eliminar os poros, o material é
sinterizado a uma tempertura de 1700° C ou
mais. Durante a sinterização as peças
experimentam uma contração progressiva,
fechando os canais e diminuindo a porosidade.
Exigência
• Máquina Ferramenta com extrema rigidez
e potência disponível
Recomendações quanto ao uso da
cerâmica
• Usinagem a seco para evitar choque térmico;
• Evitar cortes interrompidos;
• Materiais que não devem ser usinados:
– Alumínio, pois reage quimicamente
– Ligas de titânio e materiais resistentes ao calor,
pela tendência de reagir químicamente, devido a
altas temperaturas envolvidas durante o corte;
– Magnésio, berílio e zircônio, por inflamarem na
temperatura de trabalho da cerâmica.
Nitretos de Boros Cúbicos
Cristalinos(CBN)
Material relativamente jovem, introduzido
nos anos 50 e mais largamente nos anos
80, devido a exigência de alta estabilidade
e potência da máquina-ferramenta
Características do CBN
• São mais estáveis que o diamante, especialmente contra a
oxidação;
• Dureza elevada;
• Alta resistência à quente;
• Excelente resistência ao desgaste;
• Relativamente quebradiço;
• Alto custo;
• Excelente qualidade superficial da peça usinada;
• Envolve elevada força de corte devido a necessidade de
geometria de corte negativa, alta fricção durante a usinagem
e resistência oferecida pelo material da peça.
Aplicação do CBN
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•
Usinagem de aços duros;
Usinagem de desbaste e de acabamento;
Cortes severos e interrompidos;
Peças fundidas e forjadas;
Peças de ferro fundido coquilhado;
Usinagem de aços forjados
Componentes com superfície endurecida;
Ligas de alta resistência a quente(heat resistant alloys);
Materiais duros (98HRC). Se o componente for macio
(soft), maior será o desgaste da ferramenta
•
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•
Recomendações
Alta velocidade de corte e baixa taxa de
avanço (low feed rates);
Usinagem a seco para evitar choque
térmico.
Nomes comerciais
Amborite;
Sumiboron;
Borazon.
Diamante
Monocristalino
• Tipos: Carbonos, ballos e Borts.
• Característica marcante: são os materiais
que apresentam maior dureza.
• Materiais que podem ser empregados:
usinagem de ligas de metais, latão,
bronze, borracha, vidro, plástico, etc.
Parâmetros de corte permitido para
uma ferramenta de corte:
• Velocidade de corte permitida: 100 a
3000m/min;
• Avanço: 0,002 a 0,06 mm;
• Profundidade de corte: 0,01 a 1,0 mm;
Limitações
• Ferramentas de diamante não podem ser
usadas na usinagem de materiais ferrosos
devido a afinidade do C com o ferro;
• Não pode ser usado em processos com
temperaturas acima de 900°C devido a
grafitização do diamante.
Aplicação
• Usinagem fina, pois é o único material
para ferramenta de corte que permite
graus de afiação do gume até quase o
nível de um raio atômico de carbono.
• Usinagem onde é exigido ferramentas
com alta dureza, por exemplo, furação de
poços de petróleo.
Diamante Policristalino
• Material sintético obtido em condições de
extrema pressão e temperatura;
• Propriedades semelhante ao encontrado
no diamante natural, porém mais
homogênio;
• São usados na usinagem de materiais não
ferrosos e sintéticos;
• Ocorre grafitização para uma determinada
condição de corte.
USINABILIDADE
Definição:
- Usinabilidade é a propriedade que os
materiais têm de se deixarem trabalhar
por ferramentas de corte.
Problemas relativos à usinabilidade
• Desgaste rápido ou super aquecimento da
ferramenta;
• Empastamento ou enganchamento da
ferramenta pelo material da peça;
• Lascamento do gume de corte;
• Mau acabamento superficial da peça
usinada;
• Necessidade de grandes forças ou
potências de corte.
Variáveis que influenciam a
usinabilidade
VARIÁVEIS DEPENDENTES DA MÁQUINA:
• Rigidez estática da máquina, do porta-ferramenta e
do dispositivo de sujeição da peça;
• Rigidez dinâmica: amortecimento e freqüências
próprias de vibração na faixa de trabalho;
• Potência e força de corte disponíveis na ponta da
ferramenta;
• Gama de velocidades de corte e de avanço.
VARIÁVEIS DEPENDENTES DA FERRAMENTA
– Geometria da ferramenta: ângulos, raio de
quina, dimensões, forma do gume, etc.
– Material da ferramenta: composição química,
dureza a quente, tenacidade, tratamento
térmico, etc.
– Qualidade do gume: grau de afiação,
desgaste, trincas, rugosidade da face e dos
flancos, etc.
VARIÁVEIS DEPENDENTES DA PEÇA
• Forma, dimensões, rigidez da peça;
• Propriedades, físicas, químicas e
mecânicas da peça: dureza, resistência à
tração, composição química, inclusões,
afinidade química com o fluido de corte ou
com a ferramenta, microestrutura, etc.
• Temperatura da peça
VARIÁVEIS DEPENDENTES DO FLUIDO DE
CORTE
•
•
•
•
Propriedades refrigerantes;
Propriedades lubrificantes;
Temperatura do fluido;
Forma e intensidade de aplicação.
VARIÁVEIS DEPENDENTES DO
PROCESSO
• Velocidade de corte;
• Dimensões de usinagem: avanço e
profundidade;
• Modo de atuação da ferramenta sobre a
peça: condições de entrada e saída, corte
contínuo ou interrompido, comprimento de
contato entre o gume e a peça, etc.
Critérios para avaliação do grau de
usinabilidade de um material
–Vida da ferramenta entre duas
reafiações sucessivas (expressa de
diversas formas);
–Grandeza das forças que atuam sobre
a ferramenta e da potência consumida;
–Qualidade do acabamento superficial
obtido pela usinagem;
–Facilidade de deformação do cavaco.
Falha e desgaste da ferramenta de
corte
A falha de uma ferramenta de corte pode
ocorrer de três formas distintas:
• Lascamento do gume;
• Desgaste do flanco (superfície de incidência)
formando uma marca de desgaste;
• Desgaste da face (superfície de saída) sob a
forma de uma cratera;
Lascamento
• Quebra de pedaços do gume, produzindo
superfícies ásperas e irregulares devido a
sobresolicitações térmicas e/ou
mecânicas.
Lascamento da ferramenta
(SANDVIK - COROMANT, 1999).
Causas do lascamento
Ferramenta pouco resistente devido a:
• Ângulo de cunha n ou ângulo de quina r
muito pequenos;
• Mau acabamento do gume;
• Pastilha muito dura ou pouco tenaz para o
serviço que está sendo executado;
Sobresolicitações mecânicas devido a:
• Cortes interrompidos ou impactos, especialmente na
usinagem de materiais muito tenazes;
• Inclusões duras no material da peça. Estas inclusões
provocam lascamentos parciais, especialmente nos
graus mais duros e resistentes ao desgaste de metal
duro e nas cerâmicas. Os aços rápidos são pouco
sensíveis a este tipo de sobresolicitação;
• Dimensões excessivas do cavaco;
• Vibrações de qualquer origem, principalmente em
ferramentas de metal duro ou cerâmicas.
Sobresolicitações térmicas
• resfriamento brusco de pastilhas
muito quentes, na afiação ou na
usinagem.
O lascamento pode ser eliminado na
maioria dos casos por:
• Usar ângulos de incidência adequados;
• Empregar ângulos de saída negativos em todos os trabalhos severos com
pastilhas de metal duro ou cerâmicas, especialmente em cortes
interrompidos, usinagem de fundidos com inclusões duras, peças com
cordões de solda, etc;
• Emprego de metal duro de grau adequado;
• Retificado fino ou polido da face e do flanco da ferramenta;
• Na usinagem com fortes impactos devidos a cortes interrompidos ou com
grandes avanços, ou de materiais com inclusões de alta dureza, tem-se
obtido ótimos resultados com um leve “cegamento” do gume por meio de
uma pedra de afiar (“oilstone”). A pedra, segura num ângulo de 30 a 45o, é
passada no gume até que se forma um pequeno chanfro com largura igual
a aproximadamente 20% do avanço.
Cratera
• É a concavidade que se forma na face
(superfície de saída) da ferramenta devido
ao atrito da mesma com o cavaco;
• É caracterizada pela sua profundidade KT
e pela distância ao meio do gume KM.
• Pode ser o colapso da ferramenta, a
marca de desgaste ou o efeito combinado.
• O desgaste provoca um deslocamento do
gume.
Causas do desgaste da ferramenta
Os fatores principais de desgaste são:
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Deformação plástica
Abrasão
Aderência
Difusão
Oxidação
Correntes elétricas iônicas
Ferramenta danificada por trincas de
origem térmica
Fonte: (SANDVIK - COROMANT, 1999).
Quebra da ponta da ferramenta
(SANDVIK - COROMANT, 1999).
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Critérios para determinação do fim de
vida da ferramenta
Falha completa da ferramenta;
Falha preliminar da ferramenta;
Largura da marca de desgaste no flanco;
Vibrações intensas da peça ou da ferramenta, ruídos fortes por vibração
da máquina;
Profundidade de cratera KT ou distância KL;
Deficiência de acabamento superficial;
Formação de rebarbas de usinagem na peça;
Brusca variação na forma dos cavacos;
Alterações de dimensões da peça;
Força de corte, torque ou potência;
Aumento da força de avanço;
Aumento na temperatura do gume.
Métodos usuais na especificação da vida de
uma ferramenta de corte entre duas
reafiações sucessivas:
• Tempo de máquina (principalmente em
máquinas automáticas).
• Tempo efetivo de corte (mais usual).
• Volume do metal removido.
• Número de peças usinadas.
• Velocidade de corte equivalente
FUNÇÕES DOS FLUIDOS DE CORTE
Principais funções dos fluidos de corte
são:
• Refrigeração a altas velocidades;
• Lubrificação a baixas velocidades.
Outras funções
• Proteção contra corrosão
• Arrastamento dos cavacos
• Eliminação do gume postiço
Objetivos
• Aumentar a vida da ferramenta
• Aumentar a eficiência de remoção de
material
• Melhorar o acabamento superficial
• Reduzir a força e potência de corte
Qualidades acessórias
• Resistência a infectação por bactérias e fungos.
• Não ter tendência ao envelhecimento (formação de
borras, espumas, oxidação, perda de estabilidade).
• Não afetar a saúde, quer pelo contato direto, quer
pelos seus vapores e névoas.
• Facilidade de preparação e manutenção.
• Não atacar metais, plásticos, tintas, borrachas,
elementos de vedação e outras peças da máquina.
• Não atacar ligantes dos rebolos (na retificação).
• Boa transparência, para permitir a observação do
processo de usinagem.
• Baixa inflamabilidade.
• Não afetar ou poluir o meio ambiente, nem na
utilização nem no descarte.
• Não ter cheiro incomodativo.
• Poder de remover impurezas.
• Boa molhabilidade e resistência a altas pressões.
• Boa filtrabilidade.
• Não formar espuma.
Tipos de meios lubri-refrigerantes
empregados
Meios lubri-refrigerantes miscíveis com a
água:
• Soluções aquosas (representam poucos % do
consumo)
• Emulsões (representam 40% do consumo)
Meios lubri-refrigerantes não miscíveis
com a água: (representam, em conjunto,
60% do consumo)
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óleos minerais puros
óleos graxos
óleos mistos
óleos com aditivos polares
óleos com aditivos de extrema pressão (ativos e
inativos).
• Gases e névoas.
• Sólidos.
GRUPO DOS FLUIDOS DE CORTE
Podemos ainda subdividir o grupo dos fluidos refrigerantes em três
grandes grupos:
• Óleos de corte integrais (puros): óleos minerais (derivados de
petróleo), óleos graxos (de origem animal ou vegetal), óleos sulfurados
(enxofre) e clorados (cloro) que são agentes EP;
• Óleos emulsionáveis ou solúveis: são fluidos de corte em forma de
emulsão composto por uma mistura de óleo e água na proporção de 1:10
a 1:1000. Sua composição é à base de óleos minerais, óleos graxos,
emulsificados, agentes EP (enxofre, cloro, fósforo ou cálcio) e água.
• Fluidos químicos ou sintéticos: não contêm óleo mineral em sua
composição, formam soluções transparentes (boa visibilidade no
processo de corte). Composto por misturas de água e agentes químicos
(aminas e nitritos, fosfatos e boratos, sabões e agentes umectantes,
glicóis e germicidas).
SELEÇÃO DO FLUIDO DE CORTE
Não existe um fluido universal, a escolha do fluido
com determinada composição depende do material a ser
usinado, do tipo de operação e da ferramenta usada.
• Os fluidos de corte solúveis e os sintéticos são
indicados quando a refrigeração for mais importante;
• Os óleos minerais e graxos usados juntos ou
separados, puros ou contendo aditivos especiais, são
usados quando a lubrificação for o fator mais
determinante..
DICAS TECNOLÓGICAS
• Fofo cinzento: são normalmente usinados a seco, porém um óleo emulsionável pode
ser útil para ajudar a remover o cavaco que é o tipo de ruptura;
• O alumínio e suas ligas podem ser usinados a seco. Para algumas ligas é
necessário o fluido de corte, que pode ser uma emulsão com mistura de óleo mineral
e graxo e a maioria das emulsões solúveis. Não requer aditivos EP e o enxofre ataca
o metal instantaneamente;
• Magnésio e suas ligas normalmente são usinados secos e a altíssimas velocidades
de corte, entretanto, um refrigerante pode ser usado. Emulsões são proibidas, pois a
água reage com o cavaco para liberar hidrogênio, que apresenta riscos de ignição. O
enxofre ataca o metal;
• O cobre e suas ligas geralmente usam óleos solúveis. O enxofre causa
descoloração das peças;
• Devido a altas fragilidades das ferramentas cerâmicas, deve-se tomar cuidado ao
aplicar um refrigerante, porque os choques térmicos podem causar trincas
superficiais.
DIREÇÕES DE APLICAÇÃO DO
FLUIDO
Direção A: Aplicação convencional de
fluido na forma de jorro à baixa pressão
(sobre-cabeça);
Direção B: Aplicação de fluido entre a
superfície de saída da ferramenta e a
parte inferior do cavaco. Nesta
aplicação, estudada em algumas
pesquisas, o fluido é aplicado sob alta
pressão;
Direção C: Aplicação do fluido entre a
superfície de folga da ferramenta e a
peça.
MÉTODOS DE APLICAÇÃO DOS
FLUIDOS DE CORTE
• Jorro de fluido à baixa pressão (torneira à
pressão normal);
• Pulverização;
• Sistema à alta pressão.
Aplicação por jorro do fluido de corte semi-sintético, vazão total de 1230 l/h.
Sistema de Jato d’água a alta pressão