Segundo Agarwal et al^[1], o uso de cerâmica avançada em rolamentos, válvulas compomentes de motores, eletrônicos e na bioengenharia têm aumentado devido às propriedades superiores deste material com relação à resistência e dureza a altas temperaturas, resistência ao desgaste e à corrosão, estabilidade térmica, inércia química e boa relação peso/dureza. Para que seja feito o acabamento dessas peças, de acordo com Zhang et al^[20], a retificação é o processo mais eficiente.

Uma vez que a qualidade da cerâmica avançada melhorou dramaticamente com os processos de fabricação modernos, os defeitos também diminuíram significantemente. Por isso, a principal fonte de danos à peça cerâmica é a retificação ou outro tipo de usinagem. Pela natureza dura e frágil do material cerâmico, defeitos como fraturas, camadas de pulverização e deformações plásticas são frequentemente encontrados nas peças retificadas. Além disso, esse processo também pode causar tensões residuais superficiais que podem afetar a resistência e fadiga de um componente cerâmico. Informações sobre a natureza exata, a maneira e profundidade de corte dos danos causados pela retificação são precárias, o que pode tornar perigoso o uso da cerâmica para fins estruturais.

A eficiência da retificação de cerâmicas exige a escolha de parâmetros de entrada que maximizem a taxa de remoção e controlem a integridade superficial da peça^[14].

A redução dos custos da retificação pelo aumento da taxa de remoção é uma escolha limitada devido aos danos superficiais causados na peça cerâmica, que levam à diminuição da resistência. O desenvolvimento de metodologias para a otimização dos parâmetros de usinagem necessita de um conhecimento fundamental sobre os mecanismos de retificação predominantes e sobre suas influências na qualidade superficial e nas propriedades mecânicas da peça.

Segundo Kovacevic & Mohan et al^[12], no processo de retificação, durante a formação dos cavacos, grande parte da energia gerada é convertida em calor, causando altas temperaturas na região de corte que podem causar danos térmicos às peças e comprometer sua integridade superficial com o surgimento de fissuras, distorções, tensões residuais elevadas e não conformidades dimensionais.

O uso de fluidos de corte no processo de retificação, dessa forma, torna-se praticamente indispensável. Além da função de lubrificação e de refrigeração, o fluido de corte remove os cavacos gerados durante a usinagem, protege a máquina e peças contra oxidação, dentre outras.

A não utilização desses fluidos poderá ocasionar a queda de rendimento do rebolo devido ao aumento da temperatura no processo, provocando a perda de qualidade geométrica, dimensional e do acabamento superficial das peças, além do entupimento das porosidades do rebolo. Por outro lado, exigências referentes ao impacto ambiental no descarte desses fluidos possibilitaram que novas formas de aplicação fossem desenvolvidas de forma a otimizar a lubrificação/refrigeração com a diminuição do volume de fluido gasto durante o processo.

Uma técnica que vem sendo empregada, com sucesso pelo Grupo de Pesquisas em Usinagem por Abrasão é a técnica da mínima quantidade de lubrificante (MQL), que consiste em um método alternativo que se baseia no princípio de utilização total do óleo de corte sem resíduos; ou seja, com baixo fluxo do fluido de corte que é aplicado a elevadas pressões. A função de lubrificação é assegurada pelo óleo e a de refrigeração, mesmo que pequena, pelo ar comprimido.

Esta técnica também pode ser utilizada com adição de água, o que aumenta o poder de refrigeração. Isso é bom não somente pela precisão dimensional, mas também pelo fenômeno de adesão entre a ferramenta e a face de trabalho.

Assim, surge o interesse em se aplicar esta técnica de refrigeração e lubrificação por mínima quantidade

Figura 1 – Conceito das gotículas de água em óleo^[19]

de lubrificante na retificação de cerâmicas avançadas, procurando analisar a sua viabilidade.

Funções dos fluidos de corte na retificação

Kajornchaiyakul^[9] mostra que o processo de formação de cavaco na retificação ocorre pela ação de inúmeras arestas de corte distribuídas e orientadas na estrutura do rebolo de forma aleatória. Esta remoção é acompanhada de um elevado consumo de energia. Durante as etapas de formação do cavaco (atrito, de- formação plástica e cisalhamento), grande parte da energia gerada é convertida em calor elevando as temperaturas na região de corte. Se esta temperatura não for mantida dentro de níveis aceitáveis, verifica-se uma solicitação térmica da peça, podendo haver o comprometimento da integridade superficial desta, por meio do surgimento de fissuras, distorções, tensões residuais elevadas e não conformidades dimensionais.

Vários trabalhos^[6;7] mostram que os fluidos de corte são aplicados na zona de retificação para diminuir a geração de calor. Esse objetivo é alcançado pela redução do atrito na zona de corte, devido à lubrificação da superfície. Isso faz com que se diminuam também os esforços e a potência de corte, pois parte do calor gerado é retirado dessa zona por meio da refrigeração.

Ainda segundo estes autores, o fluido é responsável por carregar os cavacos para fora da região de corte. Caso isso não seja feito, há a soldagem destes à ferramenta, o que leva à formação de uma aresta postiça de corte. Esse fenômeno modifica o comportamento da ferramenta com relação à força de corte, acabamento superficial da peça, e desgaste da ferramenta.

Evita-se esse fato indesejável com a aplicação de fluidos de corte, responsáveis também por manter a superfície do rebolo limpa ao retirar os cavacos deste. Além das funções já colocadas, König et al^[11] cita também que os fluidos de corte são responsáveis por for mar um filme protetor contra a corrosão na máquina-ferramenta e na peça.

A técnica de MQL

Segundo Attanasio et al[2], os fluidos de corte custam em torno de 7 a 17% dos custos do processo e as ferramentas 2 a 4%. O uso do MQL para redução dos custos está associado à redução dos fluidos usados. Dessa forma, no MQL são usados fluidos da ordem de vazão de mL/h ou L/min.

Assim, Obikawa et al^[15] definem o MQL como a mínima quantidade de lubrificante, na qual uma pequena quantidade de óleo é misturada com ar comprimido e direcionada na região do corte, evitando as inundações do óleo observadas na refrigeração convencional.

Segundo Itoigawa et al ^[8] , o sistema MQL com água apresenta uma alta habilidade de refrigeração devido às gotículas de água envoltas pela camada de óleo (figura 1, pág. 27). Além disso, elas evaporam facilmente nas superfícies da peça e da ferramenta e refrigeram as superfícies devido à sua sensibilidade e latência ao calor.

Segundo Tawakoli et al^[18], tecnicamente, o MQL é uma mistura de ar comprimido mais óleo chamado aerossol, que é injetado na região de corte. O aerossol é uma suspensão gasosa no ar na forma de partículas líquidas. No MQL, o aerossol pode ser dito também como gotas de óleo dispersas em um jato de ar, durante o qual essa gota é carregada pelo ar diretamente na zona de retificação, proporcionando eficiente lubrificação.

Isso é relatado por Kirchner et al^[10], pois, devido ao uso de aditivos, os fluidos de corte não conseguem entrar diretamente na zona de corte, o que torna o MQL mais eficiente sob este aspecto.

Silva et al ^[16] estudaram os parâmetros de retificação do aço ABNT 4340 usando a técnica do MQL. Eles concluíram que a rugosidade superficial, o desgaste diametral do rebolo, as forças e tensão residual foram melhoradas com a utilização do MQL, devido ao maior escorregamento do grão na zona de contato.

No entanto, Tawakoli et al^[18] relatam que, para o uso eficiente do MQL, é preciso avaliar o efeito dos parâmetros do sistema e das diferentes peças na qualidade do processo de retificação. A eficiência na lubrificação faz com que o cavaco deslize mais facilmente na superfície da ferramenta e promova melhor acabamento superficial.

Materiais e métodos

Para a determinação e análise dos parâmetros envolvidos neste trabalho, ele se baseou na metodologia de experimentação. Foram realizadas seções de ensaios preliminares a fim de determinar os melhores valores para a velocidade de corte, vazão do método de MQL e avanço de corte que serão utilizados.

Todos os ensaios foram realizados em uma retificadora cilíndrica fabricada pela empresa Sulmecânica, modelo RUAP 515 H-CNC, equipada com um comando numérico CNC da Fagor. Em relação à aplicação da técnica MQL, foi utilizado como acessório um aplicador Accu-lube 79053D.

Os corpos de prova consistem de cilindros de uma alumina comercial, composta por 96% de óxido de alumínio e 4% de óxidos fundentes como SiO2, CaO e MgO. A densidade aparente deste material é de 3,7 g/cm3.

Para a realização dos ensaios, foi utilizada como ferramenta abrasiva um rebolo diamantado de liga vitrificada, D140 N100V com dimensões de 350 mm (diâmetro externo) x 15 mm (largura) x 5 mm (camada), diâmetro interno de 125 mm, da empresa Dinser Ferramentas Diamantadas.

O lubrificante de corte utilizado foi o Rocol Cleancut, que pode ser diluído em até cinco partes de água.

Este lubrificante foi fornecido pela ITW Chemical Products. A captação da rugosidade superficial foi feita por um rugosímetro Surtronic 3+, da marca Taylor Hobson, que obteve a medição do parâmetro R_a. O sistema MQL foi composto de compressor, regulador de pressão, manômetro, dosador e bocal aspersor. Na figura 2 encontra-se o bocal desenvolvido e utilizado na experimentação da técnica MQL no processo de retificação e também são exibidas as fixações do corpo de prova e do sensor de emissão acústica. O bocal foi colocado cerca de 35 mm da interface peça-rebolo.

Foram realizados três ensaios para três velocidades diferentes de avanço (V_f). Eles foram executados com refrigeração-convencional; com a técnica de MQL; e MQL com uma mistura de 1:1, 1:3 e 1:5 partes de óleo/partes de água na técnica da MQL com água.

Resultados e discussões

Neste capítulo, os resultados obtidos nos ensaios são apresentados e discutidos. As variáveis de saída medidas durante a execução dos ensaios foram calculadas por uma média de dez leituras sequenciais e dispostas na forma de gráfico de barras, com seus intervalos de confiança calculados com confiabi-

Figura 2 – Fixação do corpo de prova, bocal aspersor e fixação do sensor de emissão acústica

lidade de 95%, segundo distribuição de Student. As medidas de potência, rugosidade estão representadas pela média de 15 leituras, também em figuras de barras e com intervalos de confiança calculados com confiabilidade de 95%. As medidas de desgaste do rebolo foram obtidas a partir de uma única medida do corpo de prova.

Potência de corte

A figura 3 apresenta os resultados das médias e desvio padrão dos valores de potência de corte aferidos após a retificação das peças, uma vez que a potência de corte e a força de corte são proporcionais, para cada condição de lubrificação/refrigeração (MQL,

Figura 3 – Valores da potência de corte para cada ensaio realizado

MQL/Água 1:5, MQL/Água 1:3, MQL/Água 1:1 e convencional) e em cada velocidade de avanço (0,25; 0,5 e 0,75 mm/min).

A potência de corte é intrínseca à taxa de remoção do cavaco. Na figura 3, estão representadas as potências de corte e os valores do desvio padrão em relação à velocidade de avanço.

No método convencional; MQL; MQL com água 1:1; MQL com água 1:3; e MQL com água 1:5 para a velocidade de avanço baixa (0,25 mm/min) as potências de corte são próximas, o que pode ser explicado pelo fenômeno de renovação natural dos grãos abrasivos do rebolo.

Os resultados de desgaste diametral do rebolo podem comprovar que os grãos achatados são removidos depois que grãos microfraturados os aguçam. Em retificação com MQL, as gotículas de óleo depositado sobre a superfície do rebolo formam uma película lubrificante (película lubrificação de limite), que é aplicada na lubrificação da zona de retificação. Segundo Itoigawa et al^[8], com aumento da taxa de fluxo de óleo, a taxa de deposição de gotículas na superfície do rebolo aumenta, reduzindo o atrito na interface peça/rebolo.

Portanto, como mostram as figuras 3 e 4 (pág. 32), a potência de retificação e a rugosidade da superfície diminuem quando se tem uma proporção água/óleo de 1:1 (refrigeração e lubrificação).

O método [MQL/Água (1:1)] tendeu ao melhor resultado – cerca de 6% menor que o do método convencional e 10% menor que o MQL tradicional. Isso pode ter sido influenciado pelos efeitos hidrodinâmicos, que aumentam a energia específica no método convencional, devido à quantidade expressiva de água. Quando foi adotada

 

Figura 4 – Valores da rugosidade para cada ensaio realizado

a relação de 1:1, a lubrificação e refrigeração melhoraram no ponto de contato. Analisando-se apenas os MQLs com adição de água, verifica-se que quanto mais água na mistura (óleo/água 1:3 e óleo/ água 1:5), maiores são os valores de força de corte obtidos.

Isso pode ser explicado pelo fato de que, neste momento, existe uma ineficiência na lubrificação. Na retificação, os grãos abrasivos vão se desgastando ao longo da usinagem e seus topos começam a perder as “cristas” (afiação) e vão se tornando “cegos”. Por ineficiência de lubrificação na região de contato, ou seja, com aumento de água no método de lubrificação/refrigeração, existe perda prematura dos grãos e ocorre um aumento nos esforços de remoção do material. Isso origina deformações na superfície do material ao invés de haver uma remoção efetiva.

Com aumento desses esforços e deformações citadas, ocorre o aumento da força de corte tangencial, em consequência de maiores atritos do topo do grão abrasivo com a superfície do material. Esses fatores aumentam

o calor envolvido no processo, gerando altas temperaturas, conforme mostra a figura 3.

Rugosidade

A figura 4 apresenta os resultados das médias e do desvio padrão dos valores de rugosidade aferidos após a retificação das peças, para cada condição de lubrificação/refrigeração (MQL; MQL com água 1:5, MQL com água 1:3; MQL com água 1:1 e convencional) e em cada velocidade de avanço (0,25; 0,5 e 0,75 mm/min).

Os valores de rugosidade obtidos pelo método de lubrificação/refrigeração convencional foram menores que os obtidos com método MQL devido ao método de convencional possuir abundância em fluido de corte. Segundo Tawakoli et al^[18] , no método convencional, a elevada quantidade de fluido também atua na retirada dos cavacos da zona de corte. Já quando é utilizada a técnica MQL, a menor quantidade de fluido não é suficiente para remover os cavacos das porosidades do rebolo.

Com isso, os cavacos alojados nas porosidades, além de impedirem

a entrada do fluido de corte, produzem uma rugosidade maior da superfície.

Os valores de rugosidade obtidos pelo MQL apresentaram um acréscimo acentuado, comparados com os do método convencional. Isso pode ser explicado pela falta da refrigeração na área de contato. Uma vez que o MQL tradicional consiste na mistura óleo e ar, se tem uma boa lubrificação e uma péssima refrigeração. Itoigawa et al ^[8] também comentaram que a habilidade de refrigeração gerada devido às gotículas de água não é importante somente para a precisão dimensional, mas também para evitar alguns efeitos entre a ferramenta e a superfície de trabalho, como, por exemplo, a adesão. O cavaco preso aos poros do rebolo risca a peça, aumentando sua rugosidade. Os valores apresentados pelo MQL tradicional foram em média 65% maiores que os do convencional, devido à aplicação do óleo in natura.

Ele interage com os cavacos e forma uma “borra” parcial que penetra nos poros do rebolo. O método de MQL com adição de água forneceu médias de rugosidade intermediárias entre as do sistema convencional e as do MQL tradicional, nas três diluições e nas três velocidades de avanço. Uma diluição (óleo/água de 1:1) tendeu ao melhor resultado, cerca de 40% maior que o convencional e 20% menor que o MQL tradicional.

A explicação dos melhores resultados da mistura ar, óleo e água em relação à de ar e óleo no MQL é que a

Figura 5 – Valores de desgaste diametral do rebolo para cada ensaio realizado

diluição do óleo solúvel em água diminui a viscosidade do fluido resultante e, desse modo, evita a aderência da “borra” cavaco-fluido à superfície de corte do rebolo. Com isso, a sua retirada dos poros é facilitada, o que ameniza o riscamento da peça, atenuando a rugosidade desta.

Outra hipótese gira em torno da melhor capacidade de refrigeração da diluição óleo e água em relação à do óleo puro no MQL tradicional. Evidentemente, quando se aumenta a proporção de água, nota-se a tendência da elevação dos valores de rugosidade pela perda da capacidade de lubrificação.

Lubrificação eficiente permite que o cavaco deslize mais facilmente sobre a superfície da ferramenta, o que resulta em um melhor acabamento superficial. Então, na mistura óleo e água, quanto maior a quantidade de água, mais fácil é a limpeza do rebolo (retirada dos cavacos dos poros), o que proporciona um efeito positivo na rugosidade. E pior é a lubrificação das interfaces cavaco-ferramenta (menor lubrificação), o que gera um efeito negativo na rugosidade.

A maior rugosidade gerada com o uso do MQL tradicional em relação ao MQL com água confirma esse efeito positivo. Os piores valores de rugosidade dentre aqueles obtidos usando-se MQL com água, foram os que utilizaram a maior proporção de água ^(1:5).

Desgaste diametral do rebolo

O desgaste do rebolo é dependente de alguns fatores principais: desgaste do aglomerante, desgaste do grão abrasivo, friabilidade dos grãos e dureza da peça usinada.

Trata-se de uma variável de extrema importância no processo de retificação, já que, quanto maior o desgaste do rebolo, menor será o rendimento da ferramenta.

Inicialmente, é impor tante salientar que foi empregada a velocidade periférica de 30 m/s, limitada pelas características construtivas da máquina disponível para os ensaios. Esta limitação de velocidade de corte nos ensaios contribuiu para que o desgaste de tal ferramenta se apresente mais acentuado. Contudo, quando comparado às situações de lubrificação/refrigeração propostas, o novo método apresentado mostra resultados interessantes.

Na figura 5, o método convencional proporcionou menores valores de desgaste do rebolo. Esta condição foi a que propiciou menores valores de rugosidade e circularidade da peça e, portanto, mais eficiência na retirada do cavaco do rebolo. Silva. et al^[16] citam que o aumento da lubrificação proporcionado pelo fluido de corte resulta na diminuição do desgaste do rebolo por meio da redução do atrito entre o grão e a peça e do atrito entre o grão e o cavaco. Isso permite que os grãos abrasivos permaneçam mais tempo unidos ao ligante, ocasionando menor desgaste ao rebolo.

Também se verificou que, com o aumento da velocidade de mergulho, a espessura equivalente de corte cresce, e isso aumenta o desgaste diametral do rebolo^[13]. Esta teoria concorda com todas as condições de corte – Convencional; MQL; e MQL com água (1:1, 1:3 e 1:5).

Como já citado neste trabalho, o MQL com água 1:5 foi a condição de lubrificação/refrigeração menos efetiva na retificação, ou seja, foi a que resultou em um maior número de cavacos aderido à superfície.

O cavaco aderido ao rebolo atrita com a peça e, nessa condição, há baixo poder de lubrificação.

Conclusão

Baseado nos resultados obtidos, pode-se concluir que, na retificação de cerâmica com rebolo metálico em condições similares às utilizadas neste trabalho conclui-se que, baseado somente na rugosidade, tem-se o MQL com água 1:1 como um potencial e vantajoso substituto do MQL tradicional. E também um possível substituto do convencional, pois é um fluido menos poluente devido à menor quantidade de óleo utilizada e, consequentemente, tem um descarte menos oneroso graças à ausência de recuperação.

A condição de lubrificação/ refrigeração que obteve o maior desgaste diametral do rebolo foi aquela que foi menos eficiente em termos de limpeza do rebolo (MQL com água 1:5). Acredita-se que isso tenha ocorrido pelo fato de haver pouca lubrificação, o que gera mais atrito na região de corte.

No entanto, a condição mais eficiente em termos de limpeza do rebolo foi o método convencional (consequência do fluido em abundância). Ela foi, porém, a que obteve o menor desgaste diametral do rebolo, devido à sua baixa capacidade de remoção do cavaco e poder de resfriamento do rebolo.

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