08/09/2016

Com ou sem refrigeração?

Como em muitas áreas da usinagem, fazer tais escolhas não é fácil, esta pergunta tão comum exige uma análise cuidadosa e embasada.

No fresamento, uma questão importante é: Qual é melhor: usinagem com ou sem refrigeração?  Por todo o mundo a questão - 'com refrigeração ou sem refrigeração’ é um tema comum de discussão. Para complicar ainda mais a decisão, técnicas de corte como new-to-dry e MQL (Mínima Quantidade de Refrigeração) podem representar um compromisso de sucesso, e portanto trazer uma resposta eficiente e eficaz para esta questão problemática. Como em muitas áreas da usinagem, fazer tais escolhas não é fácil, esta pergunta tão comum exige uma análise cuidadosa e embasada.

Óleo solúvel não é recomendado para fresamento em desbaste de aço com uso da fresa de canal extendido T490.
Imagem: DivulgaçãoNo fresamento, uma questão importante é:

Qual é melhor: usinagem com ou sem refrigeração?

Por todo o mundo a questão - 'com refrigeração ou sem refrigeração’ é um tema comum de discussão.

Para complicar ainda mais a decisão, técnicas de corte como new-to-dry e MQL (Mínima Quantidade de Refrigeração) podem representar um compromisso de sucesso, e portanto trazer uma resposta eficiente e eficaz para esta questão problemática.

Como em muitas áreas da usinagem, fazer tais escolhas não é fácil, esta pergunta tão comum exige uma análise cuidadosa e embasada.

Refrigeração com emulsão

Refrigerante líquido, mistura de arrefecimento, óleo solúvel, lubrificante de corte, fluido de corte e refrigerante são todos termos comuns de chão de fábrica que são familiares a todos os envolvidos na usinagem. Cada expressão refere-se a um fluido, que é utilizado em diversos processos, tanto para fins de refrigeração como de lubrificação.

Todas as atividades de corte geram um atrito indesejável entre as superfícies da ferramenta que está sendo utilizada e a peça de trabalho com a qual está em contato. A presença da refrigeração assegura que o atrito entre as duas superfícies seja reduzida e dessa forma faz com que a remoção de uma camada de metal pela ferramenta seja muito mais fácil (lubrificação).

Durante o processo de usinagem, a temperatura numa zona de corte torna-se extremamente alta. A aplicação do líquido refrigerante baixa a temperatura da zona de corte e reduz a carga térmica sobre a ferramenta (arrefecimento). Além disso, a utilização de refrigerante contribui para melhorar a evacuação dos cavacos e também reduz a concentração de pó de metal no ambiente de fabricação. Portanto, o uso da refrigeração está diretamente relacionado com várias tarefas importantes:

- avanço da performance do processo (usinagem de precisão e acabamento superficial)
- aumentando números econômicos (aumentando a produtividade, melhorando a vida útil e reduzindo o consumo de ferramentas)
- melhorar o controle ambiental

Ao executar uma operação de corte interrompido, processo de fresamento, a aresta de corte da ferramenta atua sob uma carga térmica cíclica; também a temperatura ambiente é alterada drasticamente quando a aresta “entra” e logo em seguida “sai” do material da peça. A aresta de corte da ferramenta é exposta a um estresse de calor severo comparável a choque térmico repetitivo. O Metal Duro, principal matéria prima da ferramenta de hoje, é um  produto sinterizado da metalurgia do pó e é sensível a carga de choque térmico que destrói arestas de corte. Ao usar este tipo de ferramenta, a aplicação da refrigeração pode aumentar esse "tratamento de choque" e involuntariamente contribuir para os danos da aresta das ferramentas. Temperaturas extremas resultam em deformação plástica da aresta de corte, enquanto a presença de diferentes temperaturas leva a trincas térmicas. Esta situação torna-se ainda mais exagerada em situações de fresamento de geração alto-calor, tal como na usinagem de materiais de difícil usinabilidade ou quando executando passes de desbaste com muito sobremetal. Como explicado, embora o fluido refrigerante proporcione benefícios inquestionáveis, ele também tem a capacidade de produzir várias grandes desvantagens dentro dos processos de fresamento.

Em muitos casos, o uso de um refrigeração eficiente não é apenas razoável, mas é absolutamente necessário, sem refrigeração, em muitos casos o fresamento produtivo seria impossível. Por exemplo, na usinagem de materiais como Titânio e Super Ligas de alta temperatura, aços inoxidáveis austenítico e duplex (autenítico-ferrítico) ou mesmo ferro fundido duro ligado para fins especiais, onde o atrito e geração de calor são consideráveis. Também, o efeito esguicho do uso da refrigeração melhora significantemente o escoamento e evacuação de cavacos e reduz o re-corte, especialmente quando fresando cavidades profundandas ou rasgos estreitos.

Óleo solúvel não é recomendado para fresamento em desbaste de aço com uso da
fresa de canal extendido T490.
Imagem: Divulgação

Comparado com a tradicional refrigeração Baixa-Pressão, normalmente empregada com cerca de 20 bar, a introdução relativamente recente da HPC (High-Pressure Cooling = Refrigeração de Alta-Pressão) na qual o fluído é aplicado a aproximadamente 80 bar de pressão (normal) ou ainda mais (Ultra HPC), tem sido um desenvolvimento bem-vindo.

Intensa geração de calor, quando se utiliza o óleo solúvel tradicional, produz um filme de calor na zona de corte que intensifica a transferência de calor. Um jato HPC, direcionado exatamente para a zona de corte, penetra efetivamente este filme e supera o obstáculo indesejável. Ele também melhora a ação de corte ação mudando o ângulo do plano de corte e criando cavacos pequenos e controláveis. Fazer uso das vantagens das técnicas com  HPC é possível apenas com o uso de máquinas ferramenta apropriadas ou com a modernização das maquinas existentes.

Usinagem Sem Refrigeração e Outras Opções

Ignorando casos em que o uso de fluido de corte é essencial, operadores de máquinas devem compreender que, se o uso do óleo solúvel traz desvantagens, eliminá-lo irá resultar em progresso perceptível.

Nesses casos, a usinagem sem refrigeração oferece oportunidades promissoras. Como explicado anteriormente, fresamento em desbaste com alta remoção, resulta em geração de extremamente alto-calor. Neste caso, o uso de refrigerante pode ser destrutivo devido ao stress térmico crítico. Em contraste, fresamento em desbaste, trabalhando sem refrigeração, a temperatura das arestas de corte do inserto irá se manter alta. Embora, se os dados de corte estão definidos corretamente, a temperatura da ferramenta permanecerá a um nível aceitável. Por exemplo, a temperatura da ferramenta irá variar dentro de um intervalo relativamente estreito que não levará ao choque térmico.

Como para cortes leves de high speed milling (fresamento de alta velocidade), especialmente para peças com valores de dureza de 45 HRC e acima, refrigeração por ar é fortemente recomendado. Nos exemplos acima, a ausência do óleo solúvel também aumentou consideravelmente a vida útil da ferramenta.

Outros fatores importantes a considerar são economia com refrigeração e trabalho seguro. Se o investimento em ferramentas de corte por lote de produção é estimado em 3% do custo da peça, no que se refere à refrigeração (compra, manutenção, filtragem, destinação etc) de acordo com diferentes fontes, o custo pode alcançar 16-17%.

Além disso, a exposição prolongada ao óleo de refrigeração por parte do operador pode causar problemas de saúde e doenças industriais. Muitas normas nacionais e internacionais e publicações de alerta a respeito de segurança e controle ambiental, fazem exigências cada vez mais rígidas relacionadas aos fluidos de corte.

Onde não há fluido de corte, não há necessidade de bomba de refrigeração, sistema de reciclagem do óleo e outros acessórios de máquinas caros reduzindo ainda mais os custos totais. Os pontos acima asseguram que fabricantes informados estão constantemente procurando por alternativas ao tradicional corte com refrigeração.

Outra opção disponível é o fresamento com MQL (minimum quantity lubrication). Ao usar esta técnica, a aresta de corte da ferramenta trabalho dentro de uma névoa formada a partir de óleo e ar comprimido que é aspergido diretamente na zona de corte. Dependendo do projeto da máquina-ferramenta e da fresa, névoa pode ser aplicada externamente ou internamente (por dentro da fresa). A principal função do MQL é a de lubrificar a aresta da ferramenta durante a ação de corte, por isso, o processo de usinagem consome apenas a quantidade necessária de óleo, e, por conseguinte, a lubrificação é mais eficaz, tornando sua limpeza muito mais fácil e rápida. O MQL aumenta a vida da ferramenta. Além disso, permite que várias partes da máquina-ferramenta trabalhem em melhores condições aumentando sua durabilidade.

Outra opção de refrigeração é a usinagem criogênica. Usando um refrigerante em temperatura extremamente baixa, a temperatura criogênica reduz drasticamente a possibilidade de superaquecimento e permite melhor desempenho e vida da ferramenta prolongada. Combinar este princípio com MQL, resulta em um método de usinagem criogênica  “mínima quantidade” mais eficaz, como refrigeração baixa-temperatura (como nitrogênio liquido) é aplicada diretamente para o zona de corte através da ferramenta. Alternativamente, alguns processos propõem a aplicação de dióxido de carbono (CO2) que é aplicado sob pressão para a zona de corte. Em cada um desses métodos, as partículas da refrigeração criogénica vaporizam da aresta da ferramenta, e ao fazê-lo, removem o calor. Contudo, é óbvio que, apesar dos claros benefícios, a refrigeração criogênica não é um método barato e requer também a utilização de máquinas-ferramentas especialmente desenvolvidas.

A Ferramenta

Então – Com ou Sem Refrigeração? Como podemos ver, isso depende da aplicação específica (o material da peça, operação, etc.) e máquinas ferramenta disponíveis. No entanto, os fabricantes de ferramentas de corte levam em conta as necessidades dos clientes e fornecem ferramentas que irão garantir uma usinagem produtiva com o uso de métodos de refrigeração diferentes.

A grande maioria das fresas indexáveis modernas possuem canais internos que permitem aplicar o líquido de refrigerante diretamente através do corpo da ferramenta. Isso permite um direcionamento eficaz do refrigerante diretamente para a zona de corte. Para fresas de facear de uma geração anterior, sem canais de refrigeração, A ISCAR sugere um parafuso de fixação com um bico ajustável - em muitos casos, isso não só melhora a aplicação do refrigerante, mas também contribui para um melhor escoamento de cavacos.

Cabeça de fresamento topo esférico Multi-Master, destinada para usinagem de materiais
de difícil usinabilidade com canais internos para o uso do refrigerante na área apropriada.
Imagem: Divulgação
A fresa de canal estendido T490 destinada
para HPC (High Pressure Cooling).
O design permite a montagem de bicos nas
saídas dos furos refrigeração.
Imagem: Divulgação

Ao explorar fresas destinadas para HPC e usinagem criogénica, o corpo da fresa ser projetado de acordo. A forma dos canais internos, seus tamanhos e elementos de vedação (se necessário) devem assegurar ao máximo o livre fluxo do líquido de refrigeração, sem qualquer obstrução. Os elementos mais importantes são os bicos que são montados nas saídas dos canais, já que eles otimizam o efeito do jato de fluido de refrigeração de alta velocidade e os direcionam exatamente para a área necessária.

Por último, mas não menos importante - devemos considerar inserto de metal duro por si só.

Embora a aresta do inserto execute o corte, como ele se relaciona com o método de refrigeração? A chave para entender essa relação é a classe do inserto de metal duro e mais especificamente - seu revestimento, que fornecem uma barreira contra a penetração de calor. O revestimento deve ser resistente ao choque térmico que causa um efeito destrutivo. Compreensivelmente, não há revestimento "universal", que é igualmente adequado para fresamento produtivo com refrigerante e sem ele. Alguns revestimentos são mais eficazes para usinagem com óleo solúvel, enquanto outros proporcionam vantagens para usinagem sem refrigeração. Apesar dos insertos indexáveis de metal duro estarem disponíveis com revestimentos para atender todas as aplicações, o campo das camadas de revestimentos dos insertos é tão complexa que vale a pena uma discussão inteiramente separada.

Um bico montado num furo para refrigeração próximo
a face de corte do inserto da fresa de canal estendido T490.
Imagem: Divulgação
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