XI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Metalúrgica e Industrial
03 a 05 agosto de 2011, Porto Alegre - RS
ANÁLISE DE UM SISTEMA ECOLÓGICO UNIVERSAL DE QUALIFICAÇÃO DO
FLUIDO REFRIGERANTE EM OPERAÇÕES DE RETIFICAÇÃO
Sandro Pereira da Silva – [email protected]
TRW sistemas de direção, Limeira – São Paulo
Lincoln Cardoso Brandão – [email protected]
Marcos Sávio de Souza – [email protected]
Sergio Luiz Moni Ribeiro Filho – [email protected]
Juliano Aparecido de Oliveira - [email protected]
Universidade Federal de São João Del Rei, Praça Frei Orlando, 170 - Centro
Resumo. Existem muitos equipamentos disponíveis para efetuar limpeza do fluído de refrigeração aplicada
aos processos de transformação metal mecânica. Os processos de retificação são as operações industriais
que mais demandam a necessidade de filtragem de óleos de corte em função do tamanho dos cavacos
gerados e da quebra constante dos grãos abrasivos durante o processo. Este trabalho apresenta um estudo
de qualificação de um sistema de filtragem denominado SFU-E e considerado com um Sistema Ecológico
Universal de Qualificação do Líquido Refrigerante. O teste do equipamento de filtragem foi realizado em
linhas de retificação dos diâmetros do componente “Input-Shaft” montados em sistemas de direção
elétricos. Os resultados demonstraram que o sistema tem a vantagem de substituir com eficiência sistemas
que utilizam papel ou bag´s descartáveis e, portanto, não necessita da logística para compra e estoque dos
descartáveis. O mais importante deste processo está na eliminação das paradas de máquina para troca do
filtro descartável e na redução de 20% da área ocupada em relação ao sistema convencional de filtros
descartáveis. Pode-se concluir que a eficiência de filtragem do sistema permite a separação de particulados
menores que 0,008milímetros com uma vazão estável em 80 litros/minuto.
Palavras-chave: Retificação Centerless, Sistemas Ecológicos de Filtragem, Fluido de corte, Particulados.
1.
INTRODUÇÃO
A aplicação de elementos refrigerantes em processos de fabricação é essencial para a manutenção da
temperatura do processo dentro de limites aceitáveis e melhoria da qualidade dos produtos. O óleo de corte é
considerado o produto mais empregado na indústria de transformação metal mecânico sendo o óleo solúvel
uma das aplicações mais versáteis e econômicas. Segundo Moura (2011), a função específica do óleo solúvel
é a minimização do calor produzido entre a ferramenta de corte e a peça que está sendo usinada através da
remoção de material e da geração de cavacos; a energia através do atrito gerado é muito alta, o que
proporciona temperaturas altíssimas, havendo, portanto a necessidade de um fluido refrigerante.
Porém, os impactos causados pelos fluidos de corte são enormes quando não se tem políticas corretas de
armazenamento, uso e reciclagem. Os Fluidos de corte apresentam composições químicas complexas
contendo agentes que variam de acordo com o tipo de operação a ser executada e os metais a serem
trabalhados (Sokovic e Mijanovic, 2001). O resultado de toda esta mistura é uma equação complexa, pois se
um lado os fluidos de corte são essenciais nos processos de fabricação, por outro lado temos a produção de
resíduos em uma escala que já se torna preocupante sob o ponto de vista ambiental.
Segundo Alves e Oliveira (2006) para se avaliar o potencial do impacto ambiental total de um produto
químico, como um fluido de corte, deve se analisar o ciclo completo de vida do material. Nesta abordagem, o
impacto de cada estágio do ciclo de vida é dirigido e aplicado para o efeito total que um produto particular
pode ter sobre o meio ambiente. Os quatro, principais, pontos finais que são quantificados numa análise de
ciclo de vida são:
Saída de energia;
Resíduos;
Reuso;
Capacidade de reciclagem.
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Embora seja extremamente complexa, a análise de ciclo de vida é apenas uma forma de direcionar e
quantificar o impacto completo que um material poderá ter sobre o meio ambiente. Muitos aspectos dos
problemas ambientais associados aos fluidos de corte podem ser evitados ou minimizados por meio de
investimentos em pesquisas para desenvolvimento de novos tipos de fluidos e de métodos de aplicação
menos agressivo. Além disso, o uso de grandes volumes de óleos de corte necessita de setores específicos
para armazenagem em fábricas, esta armazenagem se feita de forma incorreta gerará efeitos nocivos à
atmosfera (interna e externa) e também a degradação do solo e recursos hídricos (Byrne, 1996).
Segundo Alves (2005) não são apenas os problemas de disposição que despertam interesse, mas as
perdas de fluidos de corte podem também ser muito prejudiciais e custosas. Estas perdas ocorrem no sistema
de manufatura pela vaporização na usinagem, na saída de cavacos e peças da máquina, nos componentes da
máquina, tais como dispositivos de fixação e manuseio, no vácuo, nos sistemas de pressurização do ar e na
formação de gotas e vazamentos. O vazamento do fluido é um fator crítico que contribui para a perda e, em
alguns casos, para as influências negativas nos sistemas hidráulicos da máquina.
Paralelamente, sistemas de controle no processo de filtragem são essenciais no ambiente fabril. A
aplicação de sistemas de filtragem permite um controle anterior ao descarte dos fluidos no meio ambiente.
Por isto, a melhoria de sistemas de filtragem como um todo e principalmente os elementos filtrantes que são
as malhas ou telas é primordial para garantir uma retenção de partículas menores e limitar em uma
determinada escala a poluição ambiental.
Segundo Moura (2011), para dimensionar um sistema de filtragem, para processos de retificação, deve
ser realizada uma análise dos sólidos gerados por estes processos, que tipicamente são particulados metálicos
ou ainda particulados dos grãos do rebolo abrasivo. No caso das retificadoras, deve-se levar em conta ainda:
O tamanho e forma geométrica dos sólidos gerados em função do tipo de operação realizada;
Operações de desbaste, normalmente geram sólidos maiores que os sólidos das operações de
acabamento.
Estes dados são obtidos através de uma “análise granulométrica dos sólidos”. Este tipo de análise
mostra o percentual de sólidos, contidos num determinado volume de fluido, além de informar a distribuição
por tamanho das partículas. De acordo com CIMM (2011), dentre os mais diversos elementos filtrantes
podemos citar como pontos positivos:
Fibras de celulose e rayon tendem a absorver água;
Fibras sintéticas (poliéster, polipropileno, polietileno) tendem a repelir água, mas absorver óleo;
Fibras encharcadas com água incham, prejudicando a filtração;
Fibras que absorvem óleo de emulsões provocam excesso da taxa de depleção.
Cada elemento tem uma aplicação definida e específica em função de processo de usinagem que se
deseja aplicar. Atualmente, as empresas visam atender as legislações pertinentes ao meio ambiente e a norma
ISO 14000, com a redução dos resíduos gerados. Segundo Moura (2011), normalmente os filtros de tecidos,
como são conhecidos, têm sido substituídos, devido ao fato de gerarem material de descarte causando um
grande problema ambiental, uma vez que durante o descarte estes tecidos necessitam ser transferidos para
locais apropriados ou incinerados, isto além dos resíduos ambientais gerados que ocasionam também custo
adicional para as empresas. Assim, o estudo e desenvolvimento de sistemas de filtragem, em conjunto com
fornecedores de máquinas e de ferramentas de corte como os rebolos são essenciais para a melhoria da
eficiência dos processos produtivos sem que ocorra maior comprometimento do meio ambiente.
2.
METODOLOGIA
O equipamento de filtragem testado foi fornecido pela empresa Machsytem, sendo equipado com bomba
vertical montada no tanque com vazão de 100 l/min a uma pressão de 2,5 bar, potência de 1,5 kW, acoplando
a um sistema de filtro tipo “hidrociclone” demonstrado na Fig. 1, em série com filtro lamina de 20 micras na
saída do sistema ecológico de filtragem apresentado na Fig. 2. As dimensões do tanque empregado para teste
medem 900x1600x1400mm, divididos em dois compartimentos, para acomodação de fluído antes e após o
processo de filtragem, conforme mostra a Fig. 3.
O sistema de filtragem em pleno funcionamento apresenta nível de ruído inferior a 70 dB e a tensão de
alimentação opera em 440V-3F-60 Hz. O sistema de filtragem terá sua aplicação na retificadora cilíndrica de
mergulho do fornecedor Boneli, tendo como requisito o atendimento de uma vazão mínima de 80 l/min. Com
um particulado presente no fluído após o sistema de filtragem em no máximo 30 micras.
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Figura 1 – Principio de funcionamento do hidrociclone (Machsystem, 2011)
Figura 2 – Principio de funcionamento do filtro lâmina (Machsystem, 2011)
Figura 3 – Esquema de funcionamento do sistema de filtragem ecológico (Machsystem, 2011)
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3.
RESULTADOS
O Sistema ecológico universal de qualificação do líquido refrigerante foi testado com o objetivo de
atender a vazão de 80 l/min. com partículas inferiores a 30 micras após o processo de filtragem. Os
experimentos foram realizados na empresa Machsytem em duas etapas onde foi observada uma variação na
vazão de saída atingindo valores inferiores a 80 l/min. A identificação desta variação de vazão foi
relacionada à restrição helicoidal no elemento motriz do filtro hidrociclone, que apresentou dimensão fora de
projeto, conforme demonstrado nas Fig. 4 e 5. A cota apresentada na Fig. 4 de 16,5 milímetros deveria ser
de 19,0 milímetros, elevando a vazão para o patamar de 80 l/min.
Figura 4 – Desenho da peça motriz do hidrociclone
(Machsystem, 2011)
Figura 5 – Peça motriz do hidrociclone (Machsystem,
2011)
Após a correção do elemento motriz foram executadas novas medições de vazão no sistema de filtragem
conforme demonstrado nas Fig. 6, 7, 8 e 9.
One-Way Poisson ANOM for Vazão
Alpha = 0,05
100
94,58
90
Vazão
80
70,22
70
60
50
45,86
40
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11
Sample
12
13
14
15
16
17
18
Figura 6 – Teste Anova One-Way Poisson (Minitab, 2008)
O teste Anova One-Way Poisson apresenta as amplitudes encontradas em cada medição do processo em
comparação a média das medições efetuadas nos dois testes realizados. Os dados de 1, 2 e 3 possuem
amplitude de 19 l/min. abaixo da linha média de 70 l/min e os pontos 4, 5, 6, e 7 tiveram redução em sua
amplitude devido a eliminação de duas curvas existentes na linha hidráulica reduzindo as perdas de carga e
consequentemente o aumento da vazão do patamar médio de 51 L/min. para 65 L/min.
Os pontos 8, 9, 10 e 11 apresentaram comportamentos próximos, tendo variação de 2 l/min. em relação
à linha média, a razão desta estabilização tem etiologia na remoção do registro controlador de fluxo,
reduzindo a perda de carga deste item no sistema hidráulico. Os pontos 12, 13, 14, 15, 16, 17 e 18
apresentaram estabilidade em relação à amplitude e atendimento à vazão de 80 l/min., essa estabilização
deve-se a correção da dimensão da canaleta de passagem do fluído, conforme demonstrado nas Fig. 7 e 8.
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Boxplot of Vazão
85
80
80
75
75
70
70
Vazão
Vazão
Individual Value Plot of Vazão vs Status
85
65
65
60
60
55
55
50
50
1° Try-Out
2° Try-Out
1° Try-Out
Status
2° Try-Out
Status
Figura 7 – Amplitude pontos individuais comparados nos
Figura 8 – Boxplot comparados nos try-out’s (Minitab,
try-out’s (Minitab, 2008)
2008)
Nos gráficos das Fig. 7 e 8, podemos observar diferenças significativas entre os dois testes realizados. A
amplitude e dispersão das leituras de vazão no primeiro teste variam de 51 l/min. a 72 l/min. demonstrando
instabilidade no processo de filtragem e as medições de vazão realizadas no segundo teste são coesas, com
amplitude de 2l/min. e média de 81l/min.
Figura 9 – Gráfico Individual (Minitab, 2008)
A Figura 9 demonstra o deslocamento da linha média da medição de vazão do sistema de filtragem de
63 l/min. obtidos no primeiro teste para 81 l/min. do segundo teste. As diferenças entre as linhas médias e a
sucessão de pontos com pequena amplitude observadas no segundo teste mostram a estabilidade e robustez
no processo de filtragem com a tecnologia de hidrociclone e filtro lâmina associados em série.
Após o ajuste da vazão foi realizada uma análise da capacidade de filtragem do sistema ecológico onde
foram coletadas amostras do tanque sujo, após a passagem do hidrociclone e na saída do filtro lâmina,
conforme apresentado na Fig. 10.
Figura 10 – Amostras para análise de contaminantes (Machsystem, 2011)
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Para execução do processo de separação e pesagem dos contaminantes foi adotado o procedimento de
avaliação de impurezas do sistema de direção veicular, que utiliza uma bancada com sistema de ar
comprimido para geração de vácuo a uma pressão de 2 PSI, uma tela de aço para acomodação do filtro e um
forno com 1500 Watts de potência para elevar a temperatura do filtro à 70°C eliminando assim todas as
partículas de água inseridas no filtro.
As figuras 11, 12 e 13 referem-se ao resultado do peso de contaminantes inseridos no sistema de
filtragem ecológico. O tamanho da maior partícula encontrada na saída do filtro lâmina foi de 0,008mm,
detectado através de um microscópio padrão de laboratório com escala micrométrica no visor.
4.





Figura 11 – Contaminantes tanque
Figura 12 – Contaminantes saída
Figura 13 – Contaminantes saída
sujo (TRW, 2011)
hidrociclone (TRW, 2011)
filtro lâmina (TRW, 2011)
CONCLUSÕES
Após o estudo do sistema de filtragem pudemos chegar as seguintes conclusões:
O sistema substitui com eficiência os sistemas que utilizam papel ou bag´s descartáveis usados
anteriormente no processo de retificação;
A desnecessidade de logística para compra e estoque dos descartáveis;
O sistema testado elimina as paradas de máquina para troca do filtro descartável;
Observou-se uma redução de 20% de área ocupada em relação ao sistema convencional de filtros
descartáveis;
Finalmente, o sistema garantiu o controle, após o processo de filtragem, de partículas menores que
0,008mm e com vazão do sistema estabilizada em 80 l/min.
REFERÊNCIAS
Alves, S. M., 2005, Adequação Ambiental do processo de retificação através de um novo conceito de fluido
de corte. (Tese de Doutorado), 199 f., Departamento de Engenharia Mecânica, EESC/USP, São Carlos.
Alves, S.M.; Oliveira, J.F.G. 2006, Novos fluidos de corte adequados ao desempenho mecânico da
retificadora e ao meio ambiente. Revista Máquinas e Metais, paginas 28 a 37.
Byrne, G., 1996, Usinagem em ambiente limpo: não se trata apenas de higiene. Máquinas e Metais, São
Paulo-SP, p. 67-80, abril.
CIMM, 2011, http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/4836-filtrao, acesso em 05 de julho de
2011.
MACHSYTEM, 2011, Acervo de informações técnicas da MACHSYSTEM, 2011.
Moura,
A.L.
Tecnologia
em
filtragem
de
óleo
solúvel,
http://www.abconsultoriaegestao.com.br/noticias/70-sustentabilidade, acesso em 5 de julho de
2011.
SOFTWARE MINITAB®, 2008, versão15, (2008).
Sokovic, M.; Mijanovic, K., 2001, Ecological aspects of cutting fluids and its influence on quantifiable
parameters of the cutting process. Journal of Materials Processing Technology, n. 109, p. 181-189.
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ANALYSIS OF UNIVERSAL ECOLOGIC SYSTEM FOR QUALIFYING OF COOLANT
FLUIDS IN GRINDING OPERATIONS
Abstract. There are several equipments available to make cleaning of coolant fluid applied in the
transformation of metallic mechanic process. The Grinding processes are industrial operations that more
demand the necessity of filtering of cut oil based on the size of chips generated, and due to the constant
brake of grit during the process. This work shows a study de qualifying of one universal ecologic system
named SFU-E and considered as Universal Ecologic System of qualifying of cooling fluid. The test of the
filtering system was carried out in grinding lines that produces diameters for inpup-shaft assembled in
electrical steering systems. The results show that the system has advantage for change with efficiency
traditional systems that use disposable bags and it not require a logistic to buy and stock of disposable. The
more important in this process is the elimination of machine stop for change of disposable filter, and the
reduction of 20% in the area necessary to conventional disposable filters. The conclusions show that the
efficiency of filtering in the system allows the segregation less than 0.008 millimeters with a permanent flow
of 80 liters/minute.
Key words: Centerless grinding, Ecologic filtering systems, Cutting oils, Particulates.
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