Como os Micrortexturizados Facilitam a Transferência e o Transporte de Lubrificantes na Usinagem de Alta Precisão?

A calibração adequada do medidor de força é essencial para garantir a precisão dos dados coletados durante o processo de usinagem. Antes de iniciar qualquer operação, calibra-se tanto o sistema de força de corte quanto o sistema térmico. Para isso, utilizam-se pesos padrão — por exemplo, um peso de 200 g aplicado diretamente na ponta da ferramenta presa ao dinamômetro. Os sinais gerados são amplificados, capturados por uma placa de aquisição de dados e exibidos em tempo real na interface do software. A relação entre o sinal de 4,7 mV e a força correspondente de 1,88 N evidencia a linearidade esperada do sistema de medição.

O estudo em questão se concentra na usinagem de precisão da carcaça de um conversor de torque com espessuras tão reduzidas quanto 5 mm. As ferramentas utilizadas variam entre lisas e micrortexturizadas, testadas sob condições de mínima lubrificação (MQL) com nano-lubrificantes. Os diferentes padrões de texturização incluem ranhuras paralelas, transversais, cruzadas e em ângulos positivos e negativos. As ferramentas foram aplicadas em torneamento cilíndrico externo, obedecendo aos parâmetros industriais da empresa Shandong Jinlite Bridge Box Co., Ltd.

No estágio inicial, os nano-lubrificantes acumulam-se ao redor das estruturas superficiais devido à ação das forças capilares. Em seguida, a adesão e a propulsão traseira permitem a movimentação eficiente do fluido até o fundo das micro-ranhuras. A estrutura da textura desempenha um papel decisivo nesse processo, favorecendo o fluxo dirigido e controlado do lubrificante. Ferramentas com texturas otimizadas favorecem a penetração das microgotículas através de canais capilares, mesmo com uma extremidade fechada e outra aberta ao ambiente.

Essas gotículas seguem uma sequência de infiltração líquida, transformação em mistura gaso-líquida e preenchimento em fase gasosa. Para maximizar a eficiência da infiltração, a superfície da ferramenta deve apresentar ângulos de contato baixos e histerese acentuada, o que é obtido por meio de microtexturas bem projetadas. A ruptura do espaço selado pela textura possibilita que o fluido lubrificante penetre na interface ferramenta-cavaco com mais facilidade, assegurando uma lubrificação contínua e eficaz.

A interação entre tensão superficial, adesão e forças capilares é descrita por um modelo teórico onde a força resultante do transporte do lubrificante é expressa como a soma das forças capilar (FC), adesiva (Wad), de impacto (Fimpact) e do atrito (f). A complexidade do comportamento de contato em superfícies rugosas inviabiliza o uso direto da Equação de Young. Em seu lugar, aplicam-se os modelos de Wenzel e Cassie.

A modificação da equação de Reynolds permite descrever a formação do filme de óleo sobre a ferramenta. A espessura do filme, a pressão gerada e a velocidade de deslizamento relativo interagem diretamente com os parâmetros geométricos da textura, como espaçamento (as), largura (bs) e altura (hs). A razão Rγ também pode ser expressa por uma função matemática que envolve esses parâmetros, evidenciando sua importância direta na performance tribológica da ferramenta.

O modelo de Cassie, por outro lado, considera a presença de bolsas de ar na interação sólido-líquido, característica de superfícies hidrofóbicas. Nesses casos, o ângulo de contato aparente aumenta, o que pode ser útil em contextos onde se deseja evitar a adesão excessiva de fluidos.

Como Melhorar o Processamento de CFRPs: Técnicas Inovadoras e Desafios na Indústria

O processamento de compósitos de fibras de carbono (CFRPs) é um desafio significativo na indústria devido à sua complexidade e à dificuldade em realizar operações de usinagem de forma eficaz. Embora o processo de perfuração seja um dos mais comuns, ele apresenta várias dificuldades devido à natureza dura e abrasiva do material, além do risco de danificar a estrutura do compósito, o que pode levar à delaminação e perda de propriedades mecânicas.

Pesquisas recentes mostram que algumas abordagens oferecem soluções mais eficientes. Um estudo conduzido por Qiu et al. demonstrou que a utilização de brocas escalonadas pode produzir uma melhor qualidade na entrada do furo do que as brocas helicoidais convencionais, minimizando o impacto da borda de cinzel na delaminação. A aplicação de um design específico para brocas de CFRP, com uma longa aresta secundária e diâmetro pequeno, também mostrou-se eficaz na remoção de fibras, criando furos pequenos e sem rebarbas, além de reduzir o risco de delaminação.

A análise do impacto térmico nos CFRPs é igualmente crucial. Com a introdução de técnicas que analisam as propriedades térmicas do material, como proposto por Ning et al., os pesquisadores sugerem o uso da resistência ao calor como um indicador importante para avaliar fraturas das fibras e delaminações. O corte a temperaturas ótimas, conforme sugerido por Jia et al., reduz danos térmicos e melhora a integridade do material durante o processamento. No entanto, é importante observar que as fibras de carbono são difíceis de quebrar sem as devidas restrições, o que torna necessário um controle mais preciso da temperatura e da força aplicada durante o processo.

Além disso, outras inovações têm sido exploradas, como a usinagem com vibração ultrassônica. Liu et al. introduziram a usinagem ultrassônica elíptica para perfuração de painéis CFRP, o que minimiza a deformação das fibras e melhora a qualidade da superfície. Tawakoli et al. observaram que a vibração ultrassônica pode reduzir significativamente os danos térmicos, embora o resfriamento por inundação seja incompatível com esse tipo de vibração, pois o fluido de corte pode penetrar facilmente no CFRP, causando delaminação interlaminar.

Outro aspecto importante na usinagem de CFRPs é o consumo de fluidos de corte. O resfriamento por inundação tradicional exige grandes quantidades de fluido, o que não só aumenta os custos de fabricação, mas também apresenta riscos significativos à saúde humana e ao meio ambiente, uma vez que os fluidos de corte podem se evaporar a altas temperaturas, liberando névoas de óleo e partículas prejudiciais como o PM2.5. Além disso, o uso de fluido de corte pode representar até 21% do custo total de produção, superando o custo das ferramentas por 3 a 5 vezes. Isso exige a busca por alternativas mais sustentáveis.

No entanto, a técnica MQL ainda enfrenta limitações, especialmente quanto à sua capacidade de resfriamento, o que pode comprometer a qualidade do processamento, especialmente em operações que geram calor excessivo. Para superar esse desafio, a incorporação de nanopartículas no fluido lubrificante tem mostrado resultados promissores. A técnica de lubrificação com nanofluído (NMQL) aprimora a transferência de calor e a lubrificação, proporcionando um resfriamento eficaz, similar ao processo de inundação, mas com o benefício da redução no consumo de fluido. Estudos, como os de Yang et al., mostraram que o NMQL pode aumentar a espessura crítica do chip não deformado e melhorar a eficiência do processo de retificação.

Além de todas as inovações tecnológicas no processo de usinagem de CFRPs, deve-se considerar que as propriedades do compósito, como sua higroscopicidade, também desempenham um papel significativo nas condições de processamento. O CFRP absorve umidade em condições de calor e alta umidade, o que pode reduzir suas propriedades mecânicas. Além disso, o aumento da temperatura durante a usinagem afeta a matriz de resina, que é sensível ao calor, comprometendo a resistência do material e causando maior desgaste das ferramentas de corte.

Portanto, a pesquisa e o desenvolvimento de novas técnicas de usinagem e lubrificação não devem ser vistos como soluções isoladas, mas como parte de uma abordagem holística que leve em conta as diversas variáveis envolvidas, como temperatura, umidade e tipos de ferramentas. O futuro da usinagem de CFRPs passa por uma combinação de tecnologias que, além de melhorar a eficiência do processo, também reduzam o impacto ambiental e os custos operacionais.

Qual a Importância dos Fluidos de Corte à Base de Óleo Vegetal para a Sustentabilidade na Indústria de Usinagem?

A utilização tradicional de fluidos de corte, com o método de lubrificação por derramamento, resulta em um consumo excessivo de fluidos durante as operações, o que gera perdas econômicas substanciais. Além disso, os riscos à saúde e ao meio ambiente associados aos fluidos de corte à base de óleo mineral são consideráveis. A composição complexa desses fluidos, aliada à geração de névoa de óleo durante o processo, cria um ambiente propício ao crescimento de bactérias e microrganismos, que podem causar irritações e reações alérgicas nos trabalhadores, configurando um sério risco à segurança. A exposição prolongada à pele de fluidos de corte tem sido associada a cerca de 80% das doenças ocupacionais entre os trabalhadores de oficinas. Para além disso, os fluidos à base de óleo mineral são altamente suscetíveis a reações químicas em temperaturas elevadas de processamento, resultando em problemas ambientais significativos, como a contaminação da água e do solo durante o tratamento de resíduos.

Embora o corte seco elimine a dependência de fluidos de corte, sua baixa condutividade térmica pode prejudicar a integridade da superfície da peça usinada, afetando a qualidade do processo de usinagem. Por outro lado, os óleos vegetais oferecem vantagens significativas em relação ao óleo mineral, incluindo recursos renováveis, baixa toxicidade e excelente biodegradabilidade. Como resultado, tem-se observado um foco crescente em técnicas de MQL utilizando óleos vegetais, que têm ganhado destaque na literatura acadêmica como uma alternativa viável aos fluidos de corte à base de óleo mineral.

Os óleos vegetais não apenas apresentam desempenho superior no processo de usinagem em comparação com o óleo mineral, mas também são mais econômicos do que os óleos sintéticos e apresentam propriedades ambientais mais favoráveis. A pesquisa conduzida por Arnsek demonstrou que, devido à sua alta polaridade, o óleo vegetal atua como um lubrificante eficaz de fronteira, proporcionando interações fortes com a superfície lubrificada. O desempenho da lubrificação de fronteira é influenciado pela atração das moléculas do lubrificante para a superfície e pelas reações químicas subsequentes. Quando comparados aos óleos minerais, os lubrificantes à base de óleo vegetal apresentam coeficiente de atrito reduzido, resistência ao desgaste semelhante e maior resistência à formação de picotamento. O óleo de colza, em particular, demonstra excelentes propriedades anti-fricção e anti-desgaste, devido ao filme de adsorção formado pelos ácidos graxos nas superfícies metálicas e seu superior índice de viscosidade em comparação com o óleo mineral. Isso resulta na redução do coeficiente de atrito e na diminuição da temperatura operacional. No entanto, é necessário realizar melhorias adicionais no desempenho contra o desgaste dos óleos vegetais sob condições de alta carga.

Os óleos vegetais são compostos principalmente por triglicerídeos, contendo pequenas quantidades de ácidos graxos livres, glicerídeos e fosfatos. Os triglicerídeos, que formam a maior parte do óleo vegetal, são compostos por uma molécula de glicerol ligada a três ácidos graxos de cadeia longa por meio de ligações éster. Os ácidos graxos, presentes no óleo vegetal, variam em comprimento de cadeia de carbono, com ácidos saturados e insaturados, que afetam suas características físicas e químicas. O impacto desses diferentes ácidos graxos na lubrificação dos processos de usinagem é complexo e varia conforme as proporções e tipos de ácidos presentes em cada tipo de óleo vegetal. As características únicas dos óleos vegetais, como a presença de ligações duplas em ácidos graxos insaturados, oferecem vantagens adicionais sobre os óleos minerais, especialmente no que diz respeito à eficiência da lubrificação e à sustentabilidade ambiental.

Como a Tecnologia de Lubrificação com Quantidade Mínima Melhora o Desempenho no Processamento de Óleos Vegetais com Nanopartículas

Um dos maiores benefícios do MQL é a redução da força de corte, um fator crucial na eficiência de qualquer operação de usinagem. Diversos estudos demonstraram que a incorporação de nanopartículas nos óleos vegetais pode reduzir significativamente as forças de corte. Por exemplo, um estudo detalhado sobre as propriedades tribológicas de folhas de grafeno revelou que a adição de 1,5% de grafeno em óleo de colza reduziu as forças de corte Fn e Ft em 22,1% e 33,8%, respectivamente, comparado ao processo tradicional com fluido sintético. A estrutura bidimensional (2D) do grafeno, juntamente com a suavidade de sua superfície, contribui para a redução do atrito, o que, por sua vez, diminui as forças de corte. A quantidade de camadas de grafeno também tem impacto nas propriedades tribológicas, uma vez que um número maior de camadas reduz ainda mais o atrito durante o deslizamento.

Por outro lado, o efeito da adição de nanopartículas de óxido de alumínio (Al2O3) a óleos vegetais também mostrou uma diminuição das forças de corte. Em um estudo que comparou quatro condições de lubrificação – usinagem a seco, usinagem com fluido, MQL com óleo de algodão e MQL com nanopartículas de alumina – foi observado que a força de corte diminuiu em 19,2% quando o óleo de algodão foi utilizado em comparação com a usinagem a seco. Quando as nanopartículas de Al2O3 foram adicionadas, a força de corte foi ainda mais reduzida, o que implica uma melhoria significativa no processo de usinagem.

O impacto das nanopartículas no controle da temperatura de corte foi evidente em um estudo que analisou diferentes óleos vegetais baseados em nanofluidos, como o óleo de palma, em operações de retificação. Entre as nanopartículas testadas, os nanotubos de carbono demonstraram o melhor desempenho de resfriamento, o que resultou em temperaturas de corte mais baixas em comparação com outros tipos de nanopartículas, como MoS2 e ZrO2. O estudo também mostrou que o material da peça a ser usinada influencia significativamente a temperatura de retificação sob as mesmas condições de trabalho.

Embora os avanços no uso de nanopartículas em óleos vegetais para lubrificação mínima ofereçam várias melhorias, nem todas as nanopartículas são eficazes. Algumas, como as nanopartículas de óxido de cobre (CuO), por exemplo, podem aumentar o coeficiente de atrito quando incorporadas a óleos vegetais, o que contraria os efeitos esperados de redução de atrito e aumento da eficiência. Isso ocorre devido às interações entre as partículas de óxido e a formação de filmes lubrificantes, que podem não ser ideais para todos os tipos de lubrificação.

A combinação de diferentes nanopartículas com estruturas distintas pode ser uma solução eficaz para otimizar a lubrificação e a dissipação de calor durante o processo de usinagem. Por exemplo, uma mistura de MoS2 e nanotubos de carbono mostrou ser mais eficaz do que nanopartículas individuais, oferecendo melhor desempenho de lubrificação e resfriamento. Essa abordagem sinérgica tem o potencial de melhorar ainda mais a eficiência das operações de usinagem e, ao mesmo tempo, reduzir os impactos ambientais e os riscos para a saúde, que são frequentemente associados aos processos tradicionais que utilizam grandes quantidades de fluido de corte.