Avaliação da Qualidade Ambiental e Desempenho da Atomização Eletrostática na Lubrificação de Máquinas

A dispersão do óleo em forma de névoa, gerado durante o processo de lubrificação mínima assistida por ar (MQL), tem sido amplamente discutida na literatura. Vários estudos, como o de Liu, examinaram a geração e a deposição dessa névoa de óleo no ambiente de corte, com ênfase na qualidade do ar e na concentração de óleo no ambiente de trabalho. Liu observou que a concentração de névoa de óleo (OMC) aumentava conforme o aumento do fornecimento de lubrificante e a pressão de ar. Consequentemente, os níveis de PM2.5 e PM10, partículas finas de óleo, também subiam, evidenciando os riscos ambientais dessa prática. De maneira semelhante, Tang analisou a qualidade do ar durante a fresagem de materiais difíceis de usinar e concluiu que a concentração de névoa de óleo era maior em baixas temperaturas e com velocidades de fresagem mais altas.

Outro estudo importante de Tian investigou o ambiente de corte sob condições de lubrificação mínima criogênica (CMQL). Tian demonstrou que o uso de lubrificantes com baixo ponto de fluidez, aliados a altas taxas de lubrificação e pressões de ar, elevava significativamente a concentração de névoa de óleo na área de corte. Esse fenômeno aumentava o risco de exposição a partículas finas de óleo no ambiente de trabalho, com implicações diretas para a saúde ocupacional.

No contexto da atomização eletrostática (EMQL), a performance de deposição é um parâmetro crucial na avaliação da eficácia da lubrificação. A capacidade de adsorção e deposição das gotas atomizadas dentro das áreas alvo depende diretamente das características do processo. Wan mediu as quantidades de deposição de atomização carregada e não carregada em diferentes condições de fluxo e pressão de ar. Os resultados mostraram que a atomização carregada tinha uma capacidade de deposição significativamente maior do que a não carregada, independentemente das condições variáveis de fluxo e pressão.

Shah et al. realizaram experimentos similares, coletando as gotas geradas pelos dispositivos de atomização em wafers de silício sob diferentes condições de voltagem. Eles descobriram que, sob uma voltagem de 20 kV, a quantidade de gotas carregadas depositadas aumentou em aproximadamente 183%, e a área de cobertura foi ampliada de 15,35% para 22,65% em comparação com a atomização sem voltagem aplicada. Esses achados demonstram a superioridade técnica da atomização eletrostática sobre os métodos tradicionais de MQL assistido por ar.

A importância da carga elétrica na atomização é amplificada quando se observa os experimentos de Lv et al., que configuraram uma plataforma experimental para estudar as características de adsorção e deposição de gotas carregadas durante o processo EMQL. Eles descobriram que, sob uma carga de –10 kV, a quantidade de gotas depositadas aumentava de forma significativa, até 55,2%, comparado com gotas não carregadas. Além disso, a presença de carga elétrica nas gotas proporcionava uma adesão mais eficiente às superfícies de coleta, como as laterais e traseiras das placas de captura. Essas descobertas ressaltam a superioridade técnica da atomização eletrostática quando comparada à atomização convencional assistida por ar, com uma maior capacidade de adsorção e menor dispersão da névoa de óleo.

Os resultados experimentais de Lv et al. também demonstraram que, em comparação com o MQL convencional, a concentração de névoa de óleo (OMC) durante o EMQL era consistentemente menor. Eles atribuíram isso ao fato de que as gotas carregadas tendem a ser mais facilmente adsorvidas e menos suscetíveis a flutuar no ar devido à força elétrica que as guia para as superfícies desejadas. A concentração mínima de névoa de óleo observada foi de 0,9 mg/m³ para PM10 e 0,52 mg/m³ para PM2.5, atendendo assim aos padrões de segurança ocupacional estabelecidos pelo National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH).

O estudo de Su et al. complementou esses achados ao comparar a concentração de névoa de óleo sob diferentes condições de trabalho e observou que o EMQL reduziu significativamente as concentrações de PM2.5 e PM10 em comparação com o MQL tradicional. Esses resultados destacam o potencial do EMQL para oferecer uma solução ambientalmente mais segura, com a redução da emissão de partículas finas de óleo no ambiente de trabalho.

Além disso, os efeitos da pressão de ar, taxa de fluxo, velocidade de rotação do spindle e profundidade de corte sobre a concentração de névoa de óleo também foram analisados. Foi constatado que a velocidade de rotação mais alta do spindle aumenta a frequência de colisões das gotas com o spindle, o que por sua vez aumenta a dispersão das gotas. A profundidade de corte mais alta também contribui para o aumento da temperatura na área de corte, o que acelera a evaporação e condensação das gotas, elevando ainda mais a concentração de névoa de óleo.

Embora a tecnologia de atomização eletrostática ainda seja emergente, ela tem o potencial de transformar a lubrificação mínima assistida por ar (MQL), proporcionando uma melhoria significativa no controle da névoa de óleo e, consequentemente, na saúde e segurança ambiental. A eficácia dessa tecnologia está diretamente ligada à capacidade de controlar a deposição das gotas de óleo, minimizando sua dispersão no ambiente e, assim, reduzindo os riscos associados à exposição prolongada a essas partículas.

A principal dificuldade ainda reside no mecanismo de carregamento das gotas de óleo, especialmente as de diâmetro inferior a 10 μm. A energia eletrostática precisa ser intensificada para garantir uma carga mais eficiente e, por conseguinte, uma maior capacidade de adsorção e controle da névoa. O desenvolvimento de modelos mais precisos sobre a trajetória das partículas e a influência dos campos magnéticos ainda é um campo em aberto para futuras pesquisas.

Além disso, a relação entre a viscosidade do óleo e o impacto do campo eletromagnético sobre ela precisa ser explorada com mais profundidade. Testes experimentais demonstraram que o campo eletromagnético pode alterar as propriedades de viscosidade do óleo, o que influencia diretamente a atomização e a deposição das gotas.

Como o uso de fluidos ecológicos e métodos de usinagem verde pode revolucionar a indústria

A crescente demanda por processos de usinagem mais sustentáveis tem impulsionado a pesquisa sobre fluidos de corte ecológicos e métodos de usinagem verde. O uso tradicional de fluidos de corte não apenas contribui para a poluição ambiental, mas também envolve grandes custos e impactos negativos à saúde humana. Nesse contexto, o desenvolvimento de novas tecnologias, que buscam reduzir a quantidade de fluidos utilizados ou até eliminá-los, tornou-se uma prioridade. Entre as inovações, destaca-se a introdução de nanofluidos, como óleos vegetais modificados com nanopartículas, que têm mostrado grande potencial para melhorar a lubrificação e o resfriamento durante o processo de usinagem.

Sob condições de lubrificação de fronteira, a adição de nanopartículas a óleos vegetais tem demonstrado um aumento significativo nas propriedades lubrificantes desses óleos. Por exemplo, o uso de nanopartículas de grafeno em fluidos de corte à base de óleos vegetais foi investigado para aprimorar seu desempenho de resfriamento e lubrificação. Os resultados indicaram que, com uma fração de massa de nanopartículas de grafeno de 0,1%, a taxa de fluxo do fluido de corte de 60 mL/h e pressão de ar de 0,6 MPa, o processo de fresamento atingiu a rugosidade superficial ótima de 0,406 μm. Além disso, a adição de MoS2 (dissulfeto de molibdênio) também mostrou que os nanofluidos à base de óleos vegetais apresentam um coeficiente de atrito microscópico mais baixo em comparação com óleos vegetais puros, destacando-se como um fluido de moagem micro-lubrificante superior.

A relação entre os coeficientes de atrito microscópico dos diferentes fluidos MQL (lubrificação mínima por quantidade) à base de óleos vegetais revela um desempenho significativamente melhor na redução de atrito. Isso é fundamental para os processos de usinagem, pois a redução do atrito não apenas melhora a eficiência do processo, mas também contribui para a preservação do ambiente e a redução do consumo de recursos.

A inovação não se limita apenas ao uso de nanopartículas em óleos vegetais, mas também envolve o desenvolvimento de aditivos orgânicos que, além de melhorar as propriedades de lubrificação, oferecem características de biodegradabilidade e resistência ao desgaste. Os aditivos baseados em ácidos graxos e ésteres, como o ácido dodecanoico e borato de dietanolamida, proporcionam um excelente desempenho sob pressões extremas. Além disso, modificações químicas envolvendo aminas e ácidos graxos melhoram a capacidade anticorrosiva desses fluidos.

Outro aspecto relevante na pesquisa de fluidos de corte ecológicos é o papel dos óleos vegetais como base de fluidos biodegradáveis. A diversidade de ácidos graxos presentes em óleos vegetais, como ácido oleico, linoleico e linolênico, desempenha um papel fundamental nas propriedades desses fluidos, impactando diretamente a formação de filmes e a capacidade de proteção contra o desgaste. A combinação de óleos vegetais com aditivos biodegradáveis pode resultar em fluidos de corte com propriedades superiores em termos de resistência ao desgaste e controle de temperatura.

Em paralelo, o avanço dos métodos de usinagem verde também exige uma mudança nas técnicas de processamento. Métodos como a usinagem seca e a lubrificação sólida surgem como soluções promissoras. A usinagem seca, que utiliza ferramentas de corte de alta qualidade sem o uso de fluidos de corte, tem se destacado como uma tecnologia verde com grande potencial, pois elimina os impactos ambientais associados ao uso de fluidos. No entanto, os desafios dessa abordagem estão na necessidade de ferramentas com maior resistência ao desgaste e na dificuldade de controle térmico, uma vez que a eficiência de transferência de calor do ar é significativamente inferior à dos fluidos de corte.

Por sua vez, a lubrificação sólida surge como uma alternativa para processos em que a usinagem seca não é viável. A introdução de lubrificantes sólidos na zona de usinagem, substituindo os fluidos líquidos, tem demonstrado grandes vantagens em termos de eficiência tribológica, aumentando a eficiência da lubrificação e reduzindo a geração de calor. O desenvolvimento de estruturas compostas para lubrificação sólida, como as combinadas com texturização a laser, tem mostrado eficácia em melhorar a vida útil das ferramentas e a qualidade da superfície usinada.

Esses métodos de usinagem verde não só ajudam a reduzir a dependência de fluidos de corte, mas também oferecem um caminho para a sustentabilidade na indústria, alinhando os processos de fabricação com as diretrizes ambientais atuais. A transição para tecnologias mais ecológicas não é apenas uma resposta às necessidades ambientais, mas também uma oportunidade de inovação e redução de custos operacionais.

A pesquisa contínua nesse campo é essencial, pois, embora as soluções verdes estejam em avanço, muitos desafios técnicos e operacionais ainda precisam ser superados. O desenvolvimento de fluidos de corte ecológicos mais eficientes, a aprimoração de métodos de usinagem seca e solidificação de técnicas de lubrificação sólida são áreas de grande potencial, que podem, eventualmente, transformar a indústria de usinagem de maneira significativa. Ao adotar essas novas tecnologias, as empresas poderão não apenas reduzir seu impacto ambiental, mas também melhorar a eficiência de seus processos, resultando em uma produção mais sustentável e econômica.

Como as Fases Nano-Aprimoradas Influenciam as Propriedades Termofísicas dos Fluidos Lubrificantes

A condução térmica dos NPECs (Fluidos Lubrificantes Nano-Aprimorados) depende da interação complexa entre as fases nano-aprimoradas e o fluido base. Dentre os vários tipos de fases nano-aprimoradas, as fases cúbicas se destacam por suas melhores capacidades de transferência de calor devido à sua proporção superior de área superficial/volume (A/V), que proporciona uma condução térmica mais eficiente. Embora as fases nano-esféricas, como as de TiO2, não apresentem o mesmo desempenho em termos de condutividade térmica, seus custos de produção mais baixos e características tribológicas vantajosas fazem delas uma alternativa atraente para diversas aplicações em tecnologias de transferência térmica.

A condutividade térmica dos NPECs é influenciada não apenas pelas fases nano-aprimoradas em si, mas também por outros fatores como a concentração e o tamanho das partículas. Pesquisas revelam que as partículas menores (com tamanhos médias de 20–40 nm) associadas a maiores áreas superficiais e frações volumétricas resultam em uma melhora substancial da condutividade térmica. Quando partículas nano-aprimoradas como TiO2, ZnO, Al2O3 e SiO2 são adicionadas a fluidos base, como água ou óleo vegetal, em concentrações de 1–5 wt.%, a condutividade térmica pode aumentar de 10% a 30%. Contudo, é imprescindível avaliar os impactos ambientais e à saúde humana desses materiais, especialmente em processos industriais de usinagem.

Além da condutividade térmica, a viscosidade dos NPECs desempenha um papel crucial na eficiência de transferência de calor e no desempenho do lubrificante. A viscosidade está diretamente relacionada à resistência do fluido ao movimento, afetando a perda de pressão e a potência necessária para bombear o fluido. Em cenários de alta viscosidade, as interações de fricção entre a ferramenta e a peça de trabalho são intensificadas, o que pode aumentar a capacidade de carga e melhorar a eficiência da lubrificação. A viscosidade também é importante para a formação da camada de lubrificante nas superfícies de fricção a altas temperaturas, sendo um fator chave na melhoria da lubrificação. Por exemplo, o óleo de rícino, que possui uma viscosidade consideravelmente maior do que outros óleos vegetais, resulta em um coeficiente de atrito (COF) mais baixo, o que é vantajoso em processos de corte e usinagem.

A adição de fases nano-aprimoradas, como GNP (graphene nanoplatelets), TiO2 e MoS2, pode aumentar significativamente a viscosidade dos biolubrificantes, melhorando suas propriedades de lubrificação. Fases nano-aprimoradas como o GNP, devido à sua grande área superficial específica, ajudam a melhorar a viscosidade e a eficácia da lubrificação. Além disso, fases como MoS2, com baixa resistência ao cisalhamento intermolecular, contribuem para a redução do atrito na zona de corte, aumentando o desempenho do biolubrificante sob pressão extrema. Porém, é necessário considerar que o aumento excessivo da concentração de partículas pode resultar em aglomeração, o que pode reduzir a eficácia da viscosidade e prejudicar a performance do fluido.

Estudos sobre a relação entre viscosidade, temperatura e concentração de fases nano-aprimoradas demonstram que, com o aumento da temperatura, a viscosidade dos NPECs tende a diminuir. Este comportamento é explicado pela movimentação das partículas, que aumenta a mobilidade molecular do fluido à medida que a temperatura sobe, reduzindo a resistência ao fluxo. Por outro lado, concentrações mais altas de fases nano-aprimoradas aumentam a viscosidade, mas também podem causar aglomeração de partículas, resultando em uma viscosidade mais alta, o que pode afetar negativamente a eficiência do processo.

Ao adicionar fases nano-aprimoradas em concentrações que variam de 0,2% a 2%, os pesquisadores observaram que a viscosidade do fluido também aumentava com a elevação da concentração das partículas. No entanto, o aumento de temperatura pode reduzir essa viscosidade, o que é um aspecto importante para a otimização das condições de trabalho, especialmente em sistemas que operam sob diferentes variações térmicas.

Além disso, a agregação das fases nano-aprimoradas é um fator crucial. O aglomerado de partículas pode resultar em precipitação, o que diminui a eficácia das partículas ativas no fluido e prejudica o desempenho mecânico durante o processamento. A avaliação cuidadosa da viscosidade, levando em consideração a temperatura, a concentração e as características das partículas, é essencial para garantir que os NPECs sejam eficientes e seguros para o uso em processos industriais.

Em resumo, a incorporação de fases nano-aprimoradas em fludos lubrificantes não só melhora a condutividade térmica e a viscosidade, mas também apresenta desafios relacionados à aglomeração das partículas e ao impacto de variáveis como temperatura e concentração. Estes fatores devem ser cuidadosamente controlados para otimizar o desempenho e garantir a sustentabilidade do fluido, minimizando os efeitos adversos na saúde e no ambiente.

Como o Uso de Nanofluidos e Técnicas Avançadas Influencia o Desgaste da Ferramenta e a Qualidade da Superfície na Usinagem de Ligas de Titânio

A usinagem de ligas de titânio, como Ti–6Al–4V, representa um desafio significativo devido à sua alta resistência e baixa condutividade térmica, o que aumenta a temperatura e o desgaste das ferramentas durante o processo. Estudos recentes têm demonstrado que a aplicação de nanofluidos de corte, especialmente aqueles enriquecidos com nanopartículas, pode reduzir significativamente o desgaste das ferramentas e melhorar a qualidade da superfície usinada.

Zhou et al. observaram uma redução de 63,3% no desgaste da ferramenta ao combinar ferramentas microtexturizadas com nanofluidos contendo nanopartículas de Fe3O4, em comparação com fluidos tradicionais. De maneira semelhante, Roushan et al. verificaram uma melhora notável na vida útil das ferramentas, utilizando nanofluidos com nanopartículas de CuO em fresas revestidas e não revestidas, o que também resultou em melhor acabamento superficial. A redução do atrito na interface ferramenta-peça, proporcionada por nanofluidos híbridos como Al2O3-MWCNT, foi destacada por Jamil et al., que evidenciaram a atuação do fluido como um espaçador, minimizando o desgaste.

Além disso, Kim et al. revelaram que a combinação de nanofluidos com resfriamento por CO2 gasoso frio levou a um desgaste significativamente menor em microfresas, com concentrações baixas de nanopartículas (0,1%) sendo mais eficazes do que concentrações elevadas (1,0%), que podem causar um efeito abrasivo adicional.

Um estudo detalhado de Li et al. comparou diferentes estratégias de resfriamento e lubrificação a seco, evidenciando que a aplicação de nanofluidos contendo nanopartículas de grafeno (GNP) promoveu a maior redução no desgaste da ferramenta, com diminuições de até 31% na largura da zona de desgaste em comparação com condições secas. A vida útil das ferramentas sob essas condições foi ampliada em 77,78%, ressaltando a eficácia do fluido nanoenriquecido.

A influência desses nanofluidos não se limita ao desgaste das ferramentas; afeta diretamente a qualidade da superfície usinada. A rugosidade superficial sob condições secas atingiu valores máximos de 0,653 μm, enquanto o uso de nanofluidos com GNP reduziu a rugosidade em mais de 50%, alcançando 0,311 μm. Essa melhoria deve-se ao filme lubrificante formado na interface ferramenta-peça, que reduz a adesão, crateras superficiais e sulcos profundos, todos causadores de falhas precoces.

Estudos envolvendo diferentes nanopartículas, como CuO, ZnO, Al2O3, SiO2, MoS2, CNTs, SiC e grafite, confirmam variações significativas na eficiência dos nanofluidos. Por exemplo, CuO demonstrou alta penetração em microcanais, formando um filme lubrificante eficaz e reduzindo a largura de rebarbas. ZnO superou Al2O3 na redução da rugosidade, enquanto SiO2 proporcionou a menor rugosidade média, com uma redução superior a 60% comparada a fluidos MQL convencionais. A morfologia das superfícies revela que nanopartículas de CNTs podem gerar riscos visíveis, enquanto SiO2 proporciona um acabamento muito mais homogêneo e superficial.

É fundamental compreender que o uso de nanofluidos não é apenas uma questão de inserir nanopartículas em fluidos de corte. A concentração correta, a natureza das partículas, suas propriedades tribológicas e o método de aplicação impactam diretamente o resultado final. Altas concentrações podem levar ao desgaste abrasivo, enquanto concentrações otimizadas garantem um efeito lubrificante e de resfriamento mais eficiente. Além disso, a combinação do nanofluido com técnicas de resfriamento, como gases frios, potencializa ainda mais a redução do desgaste.

Outro aspecto crucial é a relação entre o desgaste da ferramenta e a formação de rebarbas e irregularidades na superfície. Ferramentas desgastadas aumentam os riscos de defeitos na peça, como sulcos profundos e rebarbas maiores, que comprometem a integridade e o desempenho do componente. Portanto, o controle eficaz do desgaste por meio de nanofluidos influencia diretamente a confiabilidade e a durabilidade das peças usinadas.

Além da redução do desgaste e melhoria da superfície, é importante considerar o impacto ambiental e econômico do uso de nanofluidos. Eles possibilitam a diminuição do volume de fluido aplicado e, consequentemente, menores resíduos e custos operacionais. Contudo, sua manipulação exige cuidados especiais quanto à dispersão estável das nanopartículas e à compatibilidade com equipamentos de usinagem.

A aplicação dos nanofluidos, especialmente em materiais difíceis de usinar como ligas de titânio, representa uma evolução crucial na manufatura moderna, permitindo o aumento da eficiência, qualidade e sustentabilidade dos processos. A integração dessas tecnologias com métodos avançados de resfriamento e revestimentos de ferramentas amplia as possibilidades de desempenho, exigindo um entendimento profundo das interações tribológicas e térmicas envolvidas.