A retificação tem como objetivo a obtenção de peças com extrema precisão dimensional e excelente acabamento superficial, mediante reduzidos valores de rugosidade ^[10].

Por meio dela, a interação entre o abrasivo e a peça usinada é intensa e gera grande quantidade de calor, o que pode provocar danos térmicos à peça, como trincas, queima superficial, mudanças microestruturais e aparecimento de tensões residuais^[11].

Para evitar e/ou minimizar os efeitos provocados pelo excesso de calor na região de corte, um dos recursos é a aplicação de fluidos de corte. Eles têm como função lubrificar, refrigerar, transportar cavacos, limpar o rebolo, dentre outras atribuições, o que resulta, em muitas ocasiões, no aumento da vida útil da ferramenta (rebolo) e em uma melhor qualidade da peça usinada ^[3,20].

Atualmente, vários estudos e pesquisas são realizados visando desenvolver novas tecnologias para a redução da utilização/consumo desses fluidos de corte. Eles consideram alto custo, aquisição, manuseio, manutenção e descarte, além dos danos à saúde dos operadores, como doenças de origem dermatológica e pulmonar, assim como a poluição do meio ambiente ^[4].

A usinagem com mínima quantidade de lubrificante (MQL) tem chamado a atenção de pesquisadores e técnicos na área de usinagem como alternativa aos fluidos tradicionais ^[17]. Ela é definida como uma pequena quantidade de óleo misturada com ar comprimido e direcionada à região de corte, evitando desta maneira as inundações de óleo que ocorrem na refrigeração convencional ^[13].

O sistema de MQL funciona por meio de um jato de ar pressurizado que impacta em uma gota

Figura 1 – Conceito das gotículas de água envoltas pela película de óleo^[8]

de óleo e a fragmenta, formando uma mistura de ar pressurizado e microgotas de óleo, denominadas spray. Este contém a quantidade mínima necessária de óleo para lubrificar a região de corte, melhorando as propriedades tribológicas da região^[2].

Desta forma, o método MQL aparece como uma alternativa plausível em relação ao método convencional (fluido abundante), e a utilização deste sistema com adição de água faz com que seja ainda menor o volume de óleo utilizado no processo de retificação.

MQL puro e com adição de água

No processo de retificação, a lubrificação/refrigeração é essencial para que se obtenha maior vida útil da ferramenta e a qualidade superficial desejada. Para isso, apresenta-se o sistema MQL, que é um elo entre os métodos de lubrificação/refrigeração convencional e a usinagem a seco. O método MQL caracteriza-se como uma alternativa interessante, pois reduz a vazão de óleo em torno de 27.000 vezes, enquanto processos convencionais de lubrificação chegam a utilizar 45-50 litros de fluido por minuto. Esta técnica utiliza geralmente de 10 até no máximo 100 ml/h a uma pressão de 4 a 6 kgf/cm 2, sendo, portanto, uma alternativa coerente, já que combina a funcionalidade da refrigeração (ar comprimido) com um consumo muito baixo de fluido de corte ^[7].

As principais vantagens da técnica MQL frente à refrigeração convencional são:

• quantidade muito inferior de fluido utilizado;

• descarte de pequena quantidade de fluido, pois, na MQL, a quantidade de fluido a ser descartada é tão pequena, que um bom mecanismo de exaustão é suficiente;

• dispensa lavagem posterior, pelo fato das peças retificadas ficarem quase secas;

• elimina-se a necessidade de aplicação de bactericidas e/ou fungicidas nos reservatórios.

Como desvantagens na utilização do MQL, destacam-se:

• geração de névoas que podem ocasionar doenças respiratórias nos trabalhadores. Necessita de sistema de exaustão eficiente e eficaz para deixar a concentração de névoas dentro dos limites de tolerância. Caso não ocorra, deve-se utilizar Equipamento de Proteção Individual (EPI) para proteção respiratória;

• ruído gerado pelo sistema, que pode ocasionar perda auditiva (Pair, de Perda Auditiva Induzida pelo Ruído). Por isso, a máquina deve ser enclausurada para que este permaneça abaixo dos limites de tolerância. Caso isso não ocorra, é necessário o uso de proteção auricular.

A grande quantidade de calor existente no processo de retificação, proveniente do atrito entre as inúmeras arestas de corte dos grãos abrasivos e a peça, faz com que ele seja um dos processos mais críticos referentes à implementação da técnica MQL ^[9]. Com a lubrificação/refrigeração convencional, a elevada quantidade de fluido também atua na retirada dos cavacos da zona de corte, enquanto na técnica MQL a menor quantidade de fluido não é suficiente para remover os cavacos que, por sua vez, ficam alojados nas porosidades do rebolo impedindo a entrada do fluido de corte e provocando um maior riscamento da superfície da peça ^[19].

A técnica MQL com adição de água, de acordo com a figura 1, apresenta uma extrema capacidade de resfriamento devido às gotículas de água envoltas pela camada de óleo que evaporam facilmente nas superfícies da ferramenta e da peça e refrigeram-nas devido a sua sensibilidade e latência ao calor. Essa alta capacidade de resfriamento é importante tanto para a exatidão dimensional, geométrica e da rugosidade superficial como para outros fenômenos envolvidos entre a ferramenta e a superfície de usinagem, como a aderência. Além da boa refrigeração, o método de MQL com adição de água melhora o efeito de lubrificação em relação ao método de MQL tradicional, proporcionando a redução do coeficiente de atrito entre rebolo e peça ^[8].

Figura 2 – Resultados de rugosidade média (Ra) para as diferentes condições de lubrificação/refrigeração

Ao se aumentar a proporção de água na retificação cilíndrica externa de cerâmicas avançadas, observa-se a tendência da elevação dos valores de rugosidade, devido à perda de capacidade de lubrificação, tendo em vista que a proporção de óleo é menor. Ou seja, quanto mais óleo e menos água na mistura, é mais fácil a retirada de cavacos dos poros, porém, é pior a lubrificação das interfaces cavaco-ferramenta. Então a inserção de água na mistura tem efeito positivo na rugosidade (facilidade de limpeza do rebolo) e efeito negativo na lubrificação ^[1].

Procedimento experimental

Os ensaios foram realizados em retificadora cilíndrica CNC da Sulmecânica modelo RUAP 515H. Foi utilizado o aço ABNT 52100 como corpo de prova, apresentando as seguintes dimensões: 54 ±0,1 mm (diâmetro externo); 30 ±0,1 mm (diâmetro interno); 4 ±0,1 mm (espessura). Após a confecção, os corpos de prova foram temperados e revenidos pela empresa INA (Grupo Schaeffler), passando a apresentar uma dureza média de 62 HRC.

Como ferramenta de corte, utilizou-se um rebolo convencional de óxido de alumínio branco, com ligante vitrificado que foi fornecido pela empresa Sivat, com especificação AA 100 L6 V15 e dimensões de 355,6 mm (diâmetro externo), 127 mm (diâmetro interno) e 25,4 mm (largura), granulometria de 100 mesh, dureza média, estrutura 6 e ligante vitrificado. Utilizou-se um dressador estático tipo conglomerado para a dressagem do rebolo com profundidade de dressagem (ad) de 0,04 mm/passe e com velocidade de translação média do dressador de 100 mm/min.

Para o sistema convencional de lubrificação/refrigeração, foi utilizado nos ensaios o óleo solúvel semissintético ME-I concentrado, fabricado pela empresa Tapmatic do Brasil., que foi diluído em 10 partes de água, e para sua aplicação foi direcionado na região de corte por meio de tubos flexíveis com pressão de (2,9 x 105 Pa) e vazão de 17 L/min.

A aplicação do fluido no sistema MQL se deu por meio de um bocal semelhante a uma sapata posicionado a 30 mm da região de corte a uma vazão constante de 100 mL/h (2,8 x 10-8 m 3/s) com pressão do ar comprimido de (6,5 x 105 Pa). O sistema de aplicação de fluido utilizado foi do modelo 79053D da fabricante Accu-lube e o óleo utilizado foi Biocut 9000, fornecido pela empresa ITW Chemical Products.

Neste trabalho, utilizou-se dos seguintes sistemas de lubrificação/ refrigeração (sem o uso do jato de ar para limpeza do rebolo):

• sistema convencional para referência, por ser amplamente empregado no processo de usinagem;

• sistema MQL (puro, sem adição de água);

• sistema MQL (1:1 partes de óleo/ partes de água) – 50% de óleo na mistura;

• sistema MQL (1:3 partes de óleo/ partes de água) – 33,3% de óleo na mistura;

• sistema MQL (1:5 partes de óleo/ partes de água) – 20% de óleo na mistura.

Os parâmetros de entrada foram mantidos constantes em todos os ensaios, conforme seguem:

• velocidade de corte ou periférica do rebolo (v_s) de 30 m/s;

• rotação da peça (n_w) de 204 rpm;

• velocidade de mergulho (avanço) do rebolo (v_f) de 0,50 mm/min;

• profundidade de corte (a) de 0,1 mm;

• tempo de centelhamento (t_so) igual a 8 segundos;

• distância do bocal de MQL à região de corte de 30 mm;

• largura de retificação (b) de 4 mm;

• vazão do fluido de corte convencional de 17 L/min (2,83 x 10-⁴ m³/s);

• pressão de fluido de corte convencional de (2,9 x10⁵ Pa);

• vazão do fluido de corte na MQL de 100 mL/h (2,8 x 10-⁸ m³/s);

• pressão do ar comprimido na MQL de (6,5 x 10⁵ Pa);

 

• profundidade de dressagem (a_d) de 0,04 mm;

• velocidade de translação média do dressador de 100 mm/min.

A análise dos resultados se deu pela rugosidade média, desvio de circularidade e do desgaste diametral do rebolo. Para a análise comparativa entre os ensaios e métodos, utilizou-se um teste de hipóteses para médias Anova com fator único, seguido do teste de comparações múltiplas de Tukey (ou teste de diferença honestamente significativa) executadas por meio dos software Microsoft Excel e Matlab.

A medição da rugosidade média foi realizada em um rugosímetro Surtronic3+ da marca Taylor Hobson, utilizando o parâmetro Ra. O valor da rugosidade obtido corresponde à média de cinco medições feitas em diferentes posições no corpo de prova para cada um dos três ensaios realizados em cada condição de lubrificação/ refrigeração.

A medição do desvio de circularidade foi realizada em um medidor de circularidade, modelo Talyrond 31C, marca Taylor Hobson e refere-se a média de cinco medições feitas em diferentes posições no corpo de prova para cada um dos três ensaios realizados em cada condição.

O desgaste diametral do rebolo foi medido por meio do método de impressão do perfil do rebolo desgastado em um corpo devidamente preparado para tal fim, onde os desníveis existentes entre as regiões gastas e não gastas do rebolo foram repassados ao corpo retificado, onde então realizou a medição da rugosidade com o rugosímetro Sur tronic3+, utilizado juntamente com o software TalyMap, ambos da Taylor Hobson.

Resultados e discussões

A seguir são apresentados os resultados obtidos na experimentação realizada.

Rugosidade

Os resultados obtidos para a rugosidade média Ra, referentes à comparação entre as diferentes condições de lubrificação refrigeração, estão apresentados na figura 2 (pág. 84).

O teste Anova aplicado obteve um valor P de 1,32536 x 10 -¹⁴, ou seja, P < 0,05. Houve diferença estatisticamente significativa entre os métodos, porém, o teste Tukey, como pode ser verificado na tabela 1 (pág. 86), mostra que não existe diferença significativa para os pares de métodos MQL Puro e MQL 1:1; MQL 1:1 e MQL 1:3; MQL 1:1 e MQL 1:5; e MQL 1:3 e MQL 1:5.

A não compreensão do 0 (zero) no intervalo de confiança indica diferença estatisticamente significativa para o par em estudo. Ou seja, existe diferença estatisticamente significativa entre o método convencional em comparação com os métodos MQL puro; 1:1;

Figura 3 – Resultados de desvio de circularidade para as diferentes condições de lubrificação/refrigeração

1:3 e 1:5. Também existe diferença estatisticamente significativa entre o método MQL puro em comparação com os métodos MQL 1:3 e 1:5.

O desempenho inferior do método convencional em relação aos demais se explica pelo fato de que neste método não ocorre a quebra da barreira aerodinâmica do ar

 

em torno do rebolo, o que provoca desvio do jato do fluido, dificultando a sua penetração na área de contato rebolo-peça. Pode-se notar que, no sistema MQL, a velocidade da mistura ar-óleo entra na região de corte com a mesma velocidade periférica do rebolo. Isso quebra a barreira aerodinâmica do ar em torno do rebolo, o que facilita a sua penetração.

Os valores obtidos para os métodos MQL 1:3 e 1:5 foram mais satisfatórios do que os apresentados para o MQL puro (tradicional), pois a diluição da MQL em água diminui a viscosidade do óleo e contribui para a retirada de cavacos impregnados no rebolo, o que reduz a rugosidade.

O melhor desempenho da mistura ar-óleo-água em comparação com ar-óleo na MQL tradicional ocorre porque a menor viscosidade da água faz com que a borra cavaco-fluido seja menos aderente ao rebolo e, consequentemente, mais fácil de ser retirada dos poros do rebolo, pois os cavacos presos riscam a peça, aumentando a sua rugosidade. Devemos também

observar a influência da melhor capacidade de refrigeração da água em comparação com o óleo da MQL tradicional ^[1].

Os rebolos convencionais, como o utilizado neste trabalho (Al2O 3), são indicados para a utilização da técnica da MQL devido à sua alta capacidade de alojar cavacos e consequentemente evitar a formação de borra (mistura de cavaco com fluido que empasta a superfície de corte do rebolo), a qual prejudicaria a qualidade superficial da retificação ^[18].

Apesar das diferenças estatísticas existentes entre alguns métodos, no geral, os valores de rugosidade obtidos nos ensaios são coerentes para o processo de retificação (Ra abaixo de 1,6 μm), o que é atribuído, dentre outros, ao tempo de centelhamento. O efeito da rugosidade pôde ser melhorado pelo fato dos ensaios terem envolvido regiões de centelhamento de 8 segundos^[6].

Circularidade

Os resultados obtidos para o desvio de circularidade, referentes à comparação entre as diferentes condições de lubrificação/refrigeração, estão apresentados na figura 3 (pág. 87).

O teste Anova aplicado obteve um valor P de 3,72223 x 10-₆, ou seja, P < 0,05. Houve diferença estatisticamente significativa entre os métodos. No entanto, o teste Tukey, como pode ser verificado na tabela 2 (pág. 88), mostra que não existe diferença significativa para os pares de métodos convencional e MQL 1:5; MQL puro e MQL 1:1; MQL puro e MQL 1:3; MQL 1:1 e MQL 1:3; MQL 1:1 e MQL 1:5; e MQL 1:3 e MQL 1:5.

A não compreensão do 0 (zero) no intervalo de confiança, indica diferença estatisticamente significativa para o par em estudo. Ou seja, existe diferença estatisticamente significativa entre o método convencional em comparação com os métodos MQL puro; 1:1 e 1:3. Também existe diferença estatisticamente significativa entre o método MQL puro em comparação com o método MQL 1:5.

O desempenho inferior dos métodos MQL puro; MQL 1:1 e 1:3 em relação ao método convencional se explica pelo fato de que o sistema MQL, apesar de apresentar um bom efeito lubrificante, não atende aos requisitos refrigerantes exigidos na retificação. A redução de fluido ocasiona em uma menor dissipação térmica de calor gerado na zona de corte, o que acarreta em um maior desvio de circularidade, devido a uma maior dilatação térmica na retificação^[5].

Os elevados atritos gerados entre a peça e o rebolo durante o processo de retificação podem ser considerados um fator de

Figura 4 – Resultados de desgaste diametral do rebolo para as diferentes condições de lubrificação/refrigeração

extrema importância para o aparecimento dos erros de circularidade e, portanto, recomenda-se a utilização de um fluido com boa capacidade lubrificante, além da refrigerante, para redução destes atritos^[12].

O método convencional apresentou os melhores valores de circularidade, pois é o que apresenta o melhor efeito refrigerante.

Com isso, há menores dilatações térmicas das peças, o que possibilita maior exatidão dimensional e geométrica.

O desempenho superior do método MQL 1:5 em relação ao método MQL puro se deve ao fato de a água ser um refrigerante mais eficaz do que o óleo e, com o aumento da proporção de água no MQL, a viscosidade do óleo diminui, amenizando a formação da pasta de fluido com cavaco e, consequentemente, o entupimento dos poros do rebolo por cavacos, além de melhorar a capacidade de refrigeração da mistura. Por esses motivos, o aumento da proporção de água no MQL proporcionou menores valores de circularidade.

Observa-se também que os valores de circularidade para o MQL com adição de água na proporção de 1:5 e o método convencional mantiveram-se próximos e não apresentaram diferenças estatisticamente significativas, pois ambos os métodos apresentaram um melhor poder refrigerante.

Desgaste do rebolo

Os resultados obtidos para o desgaste diametral do rebolo, referentes à comparação entre as diferentes condições de lubrificação/refrigeração, estão apresentados na figura 4 (pág. 90).

O teste Anova aplicado obteve um valor P de 2,4443 x 10-⁸, ou seja, P < 0,05. Houve diferença estatisticamente signifi cativa entre os métodos, porém, o teste Tukey, como pode ser verificado na tabela 3 mostra que não existe diferença significativa para o par de métodos MQL 1:3 e MQL 1:5.

A não compreensão do 0 (zero) no intervalo de confiança, indica

 

diferença estatisticamente significativa para o par em estudo. Ou seja, com exceção o par de métodos MQL 1:3 e MQL 1:5, existe diferença estatisticamente significativa entre todos os outros pares de métodos.

Desta maneira, pode-se observar que o menor desgaste diametral do rebolo ocorreu no método convencional, devido ao melhor efeito refrigerante deste método, pois o desgaste diametral do rebolo é ocasionado pela deterioração térmica e pela elevada solicitação mecânica a que o rebolo é submetido. Ou seja, quanto melhor a dissipação térmica da região de corte, menor é a perda de resistência do ligante e, consequentemente, menor é o desgaste do rebolo ^[10].

O aumento da lubrificação/refrigeração proporcionado pelo fluido de corte resulta na diminuição do desgaste do rebolo por meio da redução do atrito entre o grão abrasivo e a peça, permitindo que os grãos abrasivos permaneçam por mais tempo unidos ao ligante, o que ocasiona menor desgaste do rebolo ^[16].

O método MQL 1:1 tendeu ao melhor resultado, ficando atrás apenas do método convencional. Este fato ocorre devido à relação intermediária (50%) que melhora a refrigeração/lubrificação e a capacidade de limpeza do rebolo no ponto de contato, levando a um menor desgaste diametral do rebolo ^[21].

O resultado para o método MQL puro ficou entre os métodos convencional e MQL 1:1, pois no método MQL puro um maior número de cavacos permanecem aderidos à superfície do rebolo atritando com a peça e este atrito aliado ao baixo poder de refrigeração deste método contribui positivamente para a geração de calor, o que causa a dilatação do conjunto máquina-peça-ferramenta. Isso acarreta um aumento na força normal de corte e leva a uma maior remoção de partículas do rebolo, desgastando-o mais rapidamente ^[15].

Além disso, há um agravante na técnica do MQL puro, que leva à formação de uma “borra” de cavaco com óleo que a força centrífuga do rebolo não consegue eliminar. Ela entope os poros do rebolo e prejudica a sua ação de corte. Esta provoca um desgaste excessivo do rebolo, o que projeta no seu aumento do desgaste ^[14].

Os métodos MQL 1:3 e 1:5 apresentaram as condições menos efetivas de lubrificação/refrigeração, pois um maior número de cavacos permaneceu aderido à superfície do rebolo em atrito com a peça. Este atrito aliado ao baixo poder de lubrificação resultou em um maior desgaste.

Nos métodos MQL 1:3 e MQL 1:5 verifica-se que quanto maior a adição de água na mistura, maiores são os valores de força de corte obtidos. Isso explica porque neste momento existe uma ineficiência na lubrificação. Na retificação, os grãos abrasivos vão se desgastando ao longo da usinagem sendo que os seus topos começam a perder as “cristas”, ou seja, sua afiação, e tornam-se grãos “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, o que origina deformações na superfície do material ao invés de sua efetiva remoção. Com aumento desses esforços e deformações citadas, há um aumento da força de corte tangencial, em consequência de maiores atritos do topo do grão abrasivo com a superfície do material, gerando temperaturas altas e calor envolvido no processo ^[21].

Conclusão

Baseado nos resultados obtidos neste trabalho referentes à retificação cilíndrica externa de mergulho do aço ABNT 52100 com rebolo de óxido de alumínio Al2 O3, pode-se concluir que:

• Em termos de rugosidade, os métodos MQL puro e MQL 1:1; 1:3 e 1:5 apresentaram melhores resultados em relação ao método convencional de lubrificação/refrigeração, pois a mistura ar-óleo entra na região de corte com a mesma velocidade periférica do rebolo e quebra, desta maneira, a barreira aerodinâmica do ar em torno do rebolo, o que facilita a sua penetração. Os valores obtidos para os métodos MQL 1:3 e 1:5 foram mais satisfatórios do que os apresentados para o MQL puro (tradicional), pois a diluição da MQL em água diminui a viscosidade do óleo e contribui para a retirada de cavacos impregnados no rebolo. No geral, todos os valores de rugosidade obtidos neste estudo são coerentes para o processo de retificação, com R_a abaixo de 1,6 μm, o que é atribuído, dentre outros, ao tempo de centelhamento.

• Em relação ao desvio de circularidade da peça, o método convencional apresentou os melhores valores em comparação com os métodos MQL puro; MQL 1:1 e 1:3, devido ao seu melhor efeito refrigerante, o que resulta em menores dilatações térmicas das peças, possibilitando maior exatidão dimensional e geométrica. O desempenho superior do método MQL 1:5 em relação ao método MQL puro se deve ao fato da água ser um refrigerante mais eficaz do que o óleo, o que diminui a viscosidade do óleo amenizando a formação da pasta de fluido com cavaco e, consequentemente, o entupimento dos poros do rebolo por cavacos.

• O menor desgaste diametral do rebolo ocorreu no método convencional, devido ao melhor efeito refrigerante, que reduz a temperatura na região de corte e a perda de resistência do ligante. O método MQL 1:1 também apresentou ótimos resultados, graças à relação intermediária que melhora a refrigeração/lubrificação e a capacidade de limpeza do rebolo no ponto de contato.

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