Projeto de dispositivo de refrigeração para processo de usinagem por torneamento para micros e pequenas empresas com foco em desenvolvimento sustentável

Abstract

O torneamento é uma operação de usinagem convencional fundamentada na retirada de parte do material na forma de cavaco, por meio do cisalhamento provocado pela aresta de corte de uma ferramenta mais dura que o material da peça. Durante este processo ocorre deformação plástica do material para a formação do cavaco e grande parte da energia mecânica fornecida pela máquina (mais de 90%) transforma- se em calor. Esta elevação do calor produz uma concentração de energia térmica em uma pequena região no contato cavaco-ferramenta que no caso do aço ABNT 1045, utilizado nos corpos de prova, pode chegar acima dos 1000ºC, dependendo dos parâmetros de usinagem. O calor gerado facilita a remoção do cavaco permitindo menor esforço no cisalhamento do material, porém a alta temperatura sobre a ferramenta de corte atua como um catalisador dos mecanismos de desgaste, diminuindo assim sua vida útil, podendo inclusive alterar as características macro e micro dimensionais de uma peça. Por isso, torna-se necessário o controle da temperatura, na forma da aplicação de fluido de corte (FC) ou fluidos refrigerantes (FR) na região da zona de corte (ZC). Sabe-se que a utilização incorreta dos FC ou FR podem gerar impactos ambientais e a saúde do operador, para evitar isso, técnicas como a usinagem a seco, refrigeração pela técnica da mínima quantidade de lubrificante (MQL) e sistemas de refrigeração criogênica vem sendo testados com êxito. Porém algumas delas não são possíveis em função da criticidade da operação ou possuem alto custo de aquisição tornando-se inviáveis para micro e pequenas empresas. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um dispositivo de baixo custo para a refrigeração híbrida onde a técnica MQL se alia a aplicação de ar comprimido resfriado, chamada de minimum quantity cooling lubrication (MQCL) ou mínima quantidade de líquido refrigerado, e avaliar o efeito da sua utilização na rugosidade da peça e na vida útil da ferramenta. O dispositivo projetado e fabricado alcançou durante a fase preliminar de testes temperaturas tão baixas quanto -5 ºC. Para esta pesquisa foram realizados ensaios de usinagem em um corpo de prova de uma barra cilíndrica de aço ABNT 1045 com 100 mm de

diâmetro, comparando a utilização do sistema MQCL com o sistema por inundação (aqui chamado de Jorro) utilizando insertos de metal duro. Para realização dos experimentos foi utilizado um planejamento experimental fatorial completo de 23, baseado em Design of Experiments (DOE), com três fatores e dois níveis, para os fatores de vc (188 e 298 m/min), velocidade do avanço (0,125 e 0,251 mm/rev) e uso de refrigeração (Jorro e MQCL), totalizando 8 condições diferentes. As variáveis de saída foram a Rugosidade Ra, a morfologia do cavaco e o desgaste de flanco dos insertos. Os resultados dos experimentos mostram uma pequena variação entre as rugosidades encontradas para os dois sistemas de refrigeração quando se compara Jorro e MQCL, o uso das MQCL resultou em uma menor rugosidade, 4,7% até 8,8% para vc mais baixa, entretanto os resultados não se mantiveram no uso da velocidade mais alta, o que exigirá estudos posteriores.

Turning is a conventional machining operation based on the removal of part of the material in the form of a chip, through the shear caused by the cutting edge of a tool that is harder than the work piece material. During this process, plastic deformation of the material occurs to form the chip and a large part of the mechanical energy supplied by the machine (more than 90%) is transformed into heat. This increase in heat produces a concentration of thermal energy in a small region in the chip-tool contact which, in the case of ABNT 1045 steel, used in the specimens, can reach above 1000ºC, depending on the machining parameters. The generated heat facilitates the chip removal, allowing less effort in shearing the material, but the elevated temperature on the cutting tool acts as a catalyst for wear mechanisms, thus reducing its useful life, and may even change the macro and micro dimensional characteristics of one piece. Therefore, it becomes necessary to control the temperature, in the form of the application of cutting fluid (FC) or refrigerant fluids (FR) in the region of the cutting zone (ZC). It is known that the incorrect use of FC or FR can generate environmental impacts and the health of the operator, to avoid this, techniques such as dry machining, cooling by the technique of minimum quantity of lubricant (MQL) and cryogenic cooling systems have been used successfully tested. However, some of them are not possible due to the criticality of the operation or have a high acquisition cost, making them unfeasible for micro and small companies. This work aims to develop a low-cost device for hybrid refrigeration where the MQL technique is combined with the application of cooled compressed air, called minimum quantity cooling lubrication (MQCL) or minimum quantity of refrigerated liquid, and to evaluate the effect of its use in the roughness of the part and in the useful life of the tool. The designed and manufactured device reached temperatures as low as -5°C during the preliminary testing phase. Machining tests were carried out on a specimen of a cylindrical bar of steel ABNT 1045 with 100 mm in diameter, comparing the use of the MQCL system with

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the flood system (here called jet) using carbide inserts. To carry out the experiments, a complete factorial experimental design of 23 was used, based on Design of Experiments (DOE), with three factors and two levels, for the factors of vc (188 and 298 m/min), speed of advance (0.125 and 0.251 mm/rev) and use of cooling (Journal and MQCL), totaling 8 different conditions. The output variables were Roughness Ra, chip morphology and insert flank wear. The results of the experiments show a small variation between the roughness found for the two refrigeration systems when comparing Jet and MQCL, the use of MQCL resulted in a lower roughness, 4.7% to 8.8% for vc lower, however the results did not hold for the use of the highest speed, which will require further studies.