Como os Biolubrificantes Influenciam o Desempenho do Retífico na Usinagem de Materiais Difíceis de Cortar na Aeronáutica

A tecnologia MQL (Minimum Quantity Lubrication) ainda se encontra limitada pela capacidade insuficiente de transferência de calor ao se tratar da usinagem de materiais aeroespaciais. Esses materiais, caracterizados por baixa condutividade térmica, alta energia específica de moagem e tenacidade à fratura, são mais propensos a sofrer danos térmicos na zona de moagem de alta temperatura. A moagem de ligas de titânio, superligas, aços de alta resistência, materiais compósitos e outros materiais difíceis de usinar enfrenta sérios problemas, como forças de moagem elevadas, altas temperaturas e desgaste intenso ou entupimento das ferramentas abrasivas. Essas questões precisam ser abordadas de maneira eficaz e urgente, a fim de melhorar a eficiência e a sustentabilidade do processo.

Os biolubrificantes, como um meio vital no sistema de manufatura, são essenciais para garantir o desempenho da usinagem e a sustentabilidade ambiental. A principal questão é resolver problemas como a dissipação de calor, o atrito e o desgaste por meio do desenvolvimento e uso de biolubrificantes ou biolubrificantes aprimorados com nanopartículas, especialmente sob condições extremas de moagem. Estudos experimentais realizados utilizando óleos vegetais como meio de resfriamento biológico, demonstraram avanços na melhoria da performance da moagem, sendo uma alternativa promissora para o desenvolvimento de processos mais sustentáveis e ecológicos.

Nos estágios iniciais do desenvolvimento da MQL, óleos minerais, como o parafina líquida, eram amplamente utilizados como micro-lubrificantes. Porém, devido aos riscos ambientais e de saúde associados ao uso de recursos não renováveis, pesquisadores começaram a explorar alternativas mais ecológicas. Em 2002, Kelly e Cotterell foram os primeiros a utilizar óleo vegetal como micro-lubrificante em experimentos de perfuração, apresentando resultados superiores em temperatura de processamento, torque e rugosidade da superfície em comparação com o resfriamento por inundação. Isso abriu portas para os biolubrificantes na tecnologia MQL, dado que esses óleos são naturalmente biodegradáveis e ecologicamente amigáveis, alinhando-se perfeitamente com os objetivos originais do MQL.

Atualmente, diversos óleos vegetais, como soja, palma, amendoim, rícino, girassol, canola, sésamo, milho e coco, bem como ésteres sintéticos derivados de componentes biodegradáveis, são utilizados como biolubrificantes. Esses óleos vegetais contêm principalmente triacilgliceróis, pequenas quantidades de ácidos graxos livres, alguns glicerídeos, ésteres fosforosos e traços de esteróis, tocoferóis e vitamina E. A estrutura molecular dos biolubrificantes, que consiste em uma molécula de glicerídeo ligada a três cadeias de ácidos graxos, influencia diretamente suas propriedades físico-químicas e, consequentemente, seu desempenho na moagem.

A análise da estrutura molecular dos ácidos graxos presentes nos biolubrificantes revela que o comprimento das cadeias de carbono dos ácidos graxos e o grau de saturação das ligações carbono-carbono (C = C) são parâmetros essenciais para determinar suas propriedades de lubrificação e resfriamento durante o processo de moagem. Ácidos graxos saturados formam uma película de lubrificação mais forte e compacta, enquanto os ácidos graxos insaturados, devido à maior suscetibilidade à oxidação, podem reduzir a estabilidade térmica e a resistência à oxidação da película lubrificante. Dessa forma, a força da camada de adsorção física, formada pelos biolubrificantes, é melhorada quando se utiliza ácidos graxos saturados ou de cadeias lineares mais longas, o que resulta em um desempenho superior na redução do atrito e do desgaste da ferramenta de moagem.

É importante destacar que, embora os biolubrificantes mostrem um grande potencial para melhorar as condições de usinagem em termos de dissipação de calor e redução do desgaste, ainda há muito a se explorar no entendimento completo da interação entre as propriedades físico-químicas dos lubrificantes e os parâmetros de desempenho da usinagem. O comportamento de transferência de calor, a capacidade de antifricção e o desempenho do desgaste, quando aliados ao uso de biolubrificantes aprimorados com nanopartículas, podem contribuir significativamente para a otimização dos processos de usinagem, especialmente em condições extremas e para materiais de difícil corte, como os encontrados na indústria aeroespacial.

Como os Nanoenhancers Melhoram a Lubrificação e o Desempenho no Processo de Retificação de Aços de Alta Resistência?

A introdução de nanoenhancers na lubrificação mínima por quantidade (MQL) tem demonstrado uma melhora significativa nas propriedades do lubrificante, particularmente no aumento da viscosidade, que passou de 44,2 mPa·s para 47,96 mPa·s, conforme observado em estudos recentes. Essa elevação na viscosidade contribui diretamente para o aprimoramento do desempenho lubrificante durante o processo de retificação, reduzindo o atrito e o desgaste das superfícies de contato.

Pesquisas conduzidas por Molaie et al. mostraram que a adição de nanoenhancers em lubrificantes biológicos à base de água, em operações MQL e NMQL, apresenta resultados superiores ao MQL convencional na retificação do aço AISI 52100. A comparação entre diferentes nanoenhancers, como Al2O3, grafite, óxido de grafeno e nanotubos de carbono (CNTs), revelou que o sistema com água e óxido de grafeno produziu a menor força de retificação, demonstrando uma interação sinérgica entre o lubrificante e o material abrasivo. A combinação híbrida de nanopartículas de Al2O3 e grafite potencializou ainda mais o desempenho, pois cada componente atua por meio de mecanismos tribológicos distintos: o óxido de grafeno, com sua estrutura em camadas, facilita a formação de um filme protetor e durável que reduz o contato direto entre o metal e os abrasivos, enquanto as nanopartículas esféricas de Al2O3, de alta dureza, proporcionam um efeito esférico, similar a rolamentos, minimizando o atrito.

No que tange ao desgaste da roda de retificação, a escolha do lubrificante e sua composição são cruciais. Belentani et al. demonstraram que o desgaste sob MQL foi significativamente menor em comparação com o resfriamento por inundação convencional. O uso isolado de óleo vegetal, apesar de ser uma alternativa bio-baseada, mostrou taxas elevadas de desgaste, atribuídas à sua alta viscosidade, que prejudica a limpeza dos poros da roda, causando bloqueios. No entanto, a mistura de óleo vegetal com água em proporção 1:5 combinou as vantagens dos dois fluidos, promovendo uma ação de lavagem eficaz e reduzindo ainda mais o desgaste da roda. Complementarmente, a aplicação de jatos de limpeza resfriados da roda (CWCJ) aliados ao MQL intensificou a longevidade da roda, evidenciando que a redução da temperatura do gás de alta pressão colabora para diminuir o desgaste, conforme confirmado por imagens SEM que ilustram a menor degradação sob essas condições.

Outro aspecto fundamental está na redução da temperatura durante a retificação. A incorporação de nanopartículas de Al2O3 no fluido de trabalho diminuiu a temperatura de retificação de 484 °C para 442 °C, uma redução significativa que impacta diretamente a microestrutura da peça usinada. A camada branca e a camada escura formadas na superfície, cuja espessura é indicativa da agressividade térmica do processo, tiveram suas medidas reduzidas pela presença dos nanofluidos, o que sugere uma melhora na qualidade superficial e na vida útil do componente.

A morfologia dos detritos também é alterada pelo tipo de lubrificação aplicada. Em condições de inundação, os detritos apresentam características de fluxo dúctil, formando faixas e bandas, enquanto no MQL, os detritos tendem a assumir formato esférico. A combinação MQL + WCJ mostrou um número significativamente menor de detritos esféricos, indicando uma melhor capacidade de resfriamento. A temperatura influenciou ainda o formato dos detritos, onde o aumento no fluxo do lubrificante favoreceu a formação de partículas esféricas, resultado do aquecimento local e subsequente fusão e solidificação dos detritos.

No que diz respeito à integridade superficial, a presença de tensões residuais compressivas na superfície das peças usinadas sob condições de MQL e resfriamento por inundação, em contraste com a tensão residual trativa predominante na usinagem a seco, ressalta a importância do controle térmico e da lubrificação. Essas tensões compressivas são benéficas, pois melhoram a resistência à fadiga e ao desgaste. Os nanofluidos desempenham papel essencial nesse controle, ao reduzir a temperatura e o atrito, influenciando diretamente a plasticidade local induzida pela força de retificação e o comportamento térmico da peça.

É imprescindível compreender que a eficácia dos lubrificantes nanoenhanced vai além do simples aumento da viscosidade ou da capacidade de resfriamento. O equilíbrio entre a composição do lubrificante, a quantidade aplicada e a temperatura gerada no processo define não só o desempenho do lubrificante, mas também a qualidade final da peça e a durabilidade da ferramenta. Assim, o conhecimento detalhado da interação entre partículas nanoestruturadas, fluidos base e condições operacionais é fundamental para o desenvolvimento de soluções eficientes e sustentáveis em processos de retificação de materiais de alta resistência.

Como o Processo de Retirada de Material Influencia a Qualidade da Superfície em CFRPs durante o Desbaste

O processo de desbaste de materiais compostos, especialmente os CFRPs (Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono), exige uma compreensão aprofundada da interação entre a ferramenta de corte e o material, devido às particularidades estruturais dessas superfícies. No contexto da usinagem de CFRPs, o uso de métodos como o desbaste a seco tem mostrado resultar em uma integridade superficial inferior, o que se traduz na geração de defeitos como a retirada de fibras e a formação de fissuras, além da geração excessiva de pó. Em contraste, o uso de lubrificação mínima e atomizada (MQL) visa reduzir atritos e melhorar a transferência de calor, mas ainda apresenta limitações em relação ao controle de temperatura e eficiência no resfriamento da zona de corte. Esses métodos geram uma série de desafios, tanto no controle da rugosidade da superfície quanto na minimização de defeitos mecânicos.

Uma abordagem recente busca comparar a usinagem com MQL, desbaste a seco e a usinagem com nanotubos de carbono (CNT NMQL), explorando suas diferenças na qualidade da superfície e no surgimento de defeitos. Os parâmetros de rugosidade, como Ra (rugosidade média), Rz (altitude máxima da rugosidade) e RSm (comprimento médio do perfil), são cruciais na avaliação da performance superficial durante o desbaste de CFRPs. Embora o uso do CNT NMQL tenha mostrado avanços na manutenção da integridade da superfície, a análise de defeitos, como a retirada de fibras, fraturas e descoamento da matriz resínica, ainda permanece um desafio central.

A análise quantitativa de características de textura em alta frequência também é um componente importante para entender a resposta da superfície ao desgaste. Por meio da decomposição por wavelet, é possível examinar a distribuição de energia e como diferentes regiões da superfície respondem ao processo de desbaste. O estudo detalha falhas específicas como o rompimento de fibras, o desprendimento de blocos de fibra e os danos no acoplamento fibra-matriz, os quais são críticos para a resistência mecânica final das peças usinadas.

A precisão da fabricação de componentes de CFRP depende diretamente da capacidade de controlar essas variáveis de usinagem. Por isso, é essencial considerar modelos preditivos de forças de corte, que analisam como a interação entre a ferramenta e as fibras do material varia de acordo com a espessura do cavaco não deformado e a forma da aresta de corte da ferramenta. A modelagem dessas forças ajuda a prever como diferentes estágios de desbaste e condições de contato influenciam a integridade estrutural da peça.

No modelo de remoção de material, a análise do comportamento de contato entre as ferramentas de desbaste e as fibras de carbono se divide em etapas. Inicialmente, a ponta da ferramenta exerce pressão normal sobre o material devido à espessura do cavaco não deformado, o que gera uma distribuição de pressão ao longo da superfície de contato. A forma da ponta da ferramenta, que se assemelha a um cone rombo, também afeta a área de contato com o CFRP, resultando em diferentes padrões de fratura e deformação.

Além disso, a modelagem de forças de corte em um cenário de fibra única revela que a fratura da fibra ocorre, em sua maioria, por tensão. A análise do processo de falha das fibras, que inclui desde a origem da fratura até sua destruição final, revela que a distribuição do resíduo, seja ele de fibra ou matriz, também afeta diretamente a qualidade final da superfície. A presença da matriz resínica, envolta nas fibras, age como um fator de restrição, controlando a propagação de falhas e influenciando a resposta do material ao processo de desbaste.

Portanto, compreender como as variáveis de usinagem afetam tanto a eficiência do processo quanto a qualidade final da superfície é crucial para o avanço na fabricação de componentes precisos e de alta performance a partir de CFRPs. A substituição parcial ou total de técnicas de usinagem a seco por métodos como o NMQL pode ser uma solução promissora, desde que os modelos de previsão de forças e os mecanismos de interação entre ferramenta e material sejam bem compreendidos e aplicados. Ao aplicar essas metodologias, o desafio será, sem dúvida, otimizar as condições de usinagem para minimizar falhas enquanto se alcançam superfícies de alta qualidade.

Como a Tecnologia de Purificação e Reutilização de Fluidos de Corte Contribui para um Processo de Fabricação Sustentável?

O uso de fluidos de corte na indústria metalúrgica desempenha um papel crucial na melhoria da eficiência dos processos de usinagem. No entanto, a natureza química desses fluidos implica que, ao longo do tempo, eles se degradam e podem prejudicar tanto os operadores quanto o meio ambiente, caso não sejam adequadamente tratados. Por isso, a pesquisa em métodos de purificação e reutilização desses fluidos tem se intensificado, com foco não só na eficiência econômica, mas também na sustentabilidade ambiental.

Um dos avanços significativos nesse campo é o estudo de fluidos de corte ecológicos e métodos de usinagem verde. A implementação de tecnologias que minimizem o impacto ambiental, como o uso de fluidos biodegradáveis e a redução de aditivos tóxicos, tornou-se uma prioridade para a indústria. Embora a biodegradabilidade de alguns fluidos modernos tenha melhorado, ainda há a presença de compostos nocivos, como carbonos, hidrogênios e oxigênios, que favorecem a proliferação de bactérias prejudiciais, tornando essencial o desenvolvimento de soluções para o tratamento desses resíduos.

Os fluidos de corte descartados podem ser liberados para o ambiente de duas maneiras principais: por meio de névoa de óleo no ar ou através do descarte direto após um tratamento básico. A névoa de óleo, gerada durante o processo de usinagem devido ao calor e à atomização mecânica do fluido, pode ser prejudicial à saúde dos trabalhadores, uma vez que é facilmente inalada. Para mitigar esses riscos, sistemas mecânicos e químicos têm sido empregados para reduzir a concentração dessa névoa. Dispositivos como exaustores e filtros de névoa de óleo são utilizados para melhorar a qualidade do ar nos ambientes de trabalho, contribuindo para a segurança dos operadores.

Além disso, a purificação de fluidos de corte usados é uma questão que envolve tanto a redução da poluição quanto a recuperação de recursos. Sistemas de purificação, como os descritos em diversas patentes, podem recuperar o óleo e outros compostos presentes na névoa de óleo, separando as partículas e permitindo a reutilização do fluido. Isso não só melhora as condições ambientais dentro das fábricas, mas também reduz os custos operacionais associados à compra de novos fluidos. No entanto, embora esses métodos de purificação sejam eficazes, o custo de instalação e manutenção dos equipamentos ainda pode ser elevado, o que representa um desafio adicional para as pequenas e médias empresas.

Por fim, a introdução de fluidos ecológicos e técnicas avançadas de purificação estão alinhadas com os princípios de desenvolvimento sustentável. Ao adotar essas práticas, a indústria não apenas reduz os impactos ambientais, mas também melhora a qualidade de vida dos trabalhadores e contribui para uma produção mais eficiente. Entretanto, é fundamental entender que a implementação dessas tecnologias requer um investimento significativo, não só em termos financeiros, mas também em termos de adaptação das operações. A inovação contínua em purificação e reciclagem de fluidos é essencial para garantir um futuro mais verde e saudável para a indústria de usinagem.

Como os Nanopartículas Melhoram o Desempenho Tribológico e a Lubrificação em Processos de Usinagem

As pesquisas sobre lubrificantes bioativos e o uso de nanopartículas como aditivos estão transformando os processos de usinagem e corte de materiais, oferecendo avanços significativos na redução do atrito, desgaste e melhoria da eficiência térmica durante o processamento. A adição de nanopartículas a óleos vegetais e outros fluidos de corte não apenas otimiza o desempenho tribológico, mas também prolonga a vida útil das ferramentas, reduzindo o desgaste e as condições adversas durante o processo de usinagem.

Estudos indicam que a presença de nanopartículas em fluidos de corte como óleos de algodão, palma, coco e rícino pode diminuir a força de corte em até 19,2%, comparado com o corte a seco. Além disso, a adição de nanopartículas como MoS2, CNT e Al2O3 pode proporcionar uma melhoria significativa na eficiência do processo de usinagem, reduzindo a temperatura de operação e aumentando a qualidade da superfície usinada. Por exemplo, o óleo de palma, quando combinado com nanopartículas de MoS2 e ZrO2, mostrou uma melhoria na condutividade térmica e desempenho de resfriamento, comparado com outros aditivos.

O mecanismo de ação das nanopartículas pode ser atribuído a vários processos físicos. Durante a usinagem, as nanopartículas formam filmes protetores nas superfícies de atrito, proporcionando uma camada física de proteção. Essa camada não só diminui o atrito, mas também contribui para a diminuição do desgaste das ferramentas, melhorando a vida útil delas. O comportamento das nanopartículas no processo de usinagem é amplamente explicado por sua estrutura e propriedades físicas únicas, que podem ser de tipos como camadas, esféricas, tubulares ou tipo cebola.

As nanopartículas em forma de camadas, por exemplo, funcionam por meio de deslizamento entre as camadas, formando uma película física entre as superfícies de contato. Isso reduz o atrito e o desgaste, mas, sob condições extremas de temperatura e pressão, essas nanopartículas podem sofrer oxidação, formando filmes densos que possuem características anti-desgaste e anti-fricção superiores. Contudo, elas têm uma capacidade limitada de dissipação térmica devido ao seu baixo coeficiente de transferência de calor. Um exemplo típico de nanopartículas em camadas é o disulfeto de molibdênio (MoS2), amplamente utilizado em lubrificantes devido às suas excelentes propriedades tribológicas.

As nanopartículas esféricas, por outro lado, têm uma energia superficial uniforme em todas as direções e atuam como pequenos "micro rolamentos" nas superfícies de atrito, transformando o atrito deslizante em atrito rolante, o que reduz ainda mais o coeficiente de fricção. Durante a usinagem, essas partículas ajudam a suavizar a superfície usinada e preenchem os arranhões e marcas de desgaste, reparando a superfície de atrito. Além disso, elas podem se deformar sob alta pressão e, ao se desprenderem, promovem o reparo da superfície, criando uma camada protetora que reduz o desgaste contínuo.

Outro tipo relevante de nanopartícula são as tipo cebola, que, apesar de também apresentarem uma forma esférica, possuem uma estrutura interna em camadas. Essas partículas oferecem um desempenho tribológico superior, combinando os benefícios das nanopartículas em camadas e esféricas. Sob carga, sua estrutura em camadas se fragmenta, criando uma camada adicional de proteção na superfície de atrito, melhorando ainda mais a resistência ao desgaste e à fricção.

Os óleos vegetais, como o óleo de palma, coco e até o óleo de rícino, têm se mostrado eficazes como bases para a suspensão de nanopartículas, formando emulsões que não só melhoram o desempenho tribológico, mas também são mais amigáveis ao meio ambiente, em comparação com os lubrificantes tradicionais à base de petróleo. O uso de aditivos como hBN (hexagonal boron nitride) e MoS2 em óleos vegetais também demonstrou melhorar consideravelmente a durabilidade das ferramentas e a qualidade da superfície das peças usinadas.

Além disso, a combinação de nanopartículas e óleos vegetais oferece um interessante equilíbrio entre desempenho e sustentabilidade. O uso de óleos vegetais reduz a dependência de lubrificantes sintéticos e derivados do petróleo, contribuindo para uma indústria mais ecológica. No entanto, a escolha do tipo de nanopartícula e a concentração ideal para diferentes materiais de trabalho e condições de corte deve ser cuidadosamente analisada para garantir que os benefícios em termos de fricção, desgaste e dissipação térmica sejam otimizados.

Portanto, o estudo das propriedades tribológicas e dos mecanismos de interação entre as nanopartículas e as superfícies de atrito em processos de usinagem abre novas possibilidades para o desenvolvimento de fluidos de corte mais eficientes, sustentáveis e econômicos. A capacidade das nanopartículas de modificar as propriedades dos lubrificantes e melhorar o desempenho das ferramentas durante a usinagem é uma das chaves para a inovação nas tecnologias de manufatura.