Como a Lubrificação de Mínima Quantidade (MQL) Contribui para a Sustentabilidade no Processamento de Materiais Avançados

O desenvolvimento de métodos de lubrificação sustentáveis na fabricação tem sido uma área central de pesquisa, especialmente no contexto da usinagem de materiais avançados, como as ligas de titânio e o aço inoxidável. Uma das abordagens que tem ganhado destaque é a lubrificação de mínima quantidade (MQL), que visa reduzir o consumo de fluidos lubrificantes, minimizando seu impacto ambiental e, ao mesmo tempo, mantendo a eficácia na operação de usinagem.

A MQL, quando aplicada adequadamente, consegue reduzir o uso de fluidos convencionais, o que resulta em menores impactos ambientais, como a redução de resíduos e a diminuição de emissões poluentes. Esse método, que envolve a aplicação de uma quantidade mínima de lubrificante em forma de neblina ou aerosol, tem se mostrado promissor para melhorar as propriedades tribológicas durante processos de corte, como usinagem e retificação.

Por exemplo, estudos recentes demonstraram que a combinação de MQL com lubrificantes à base de óleos vegetais e nanofluidos pode aumentar significativamente a eficiência de processos de usinagem em materiais difíceis de cortar, como o Ti-6Al-4V. Essas soluções são menos agressivas ao meio ambiente e podem ter desempenho comparável, ou até superior, aos fluidos convencionais. O uso de óleos vegetais, que são biodegradáveis, e a adição de partículas nanométricas para melhorar as propriedades de lubrificação, têm sido explorados como alternativas promissoras para aumentar a sustentabilidade dos processos de usinagem.

Outro ponto importante é o uso de materiais avançados em sistemas de MQL. Pesquisas indicam que a escolha de nanofluidos específicos, como aqueles baseados em óleos vegetais ou partículas de grafeno, pode aumentar a eficiência do processo de usinagem, não apenas em termos de desempenho de corte, mas também em aspectos como dissipação de calor e controle de temperatura. A aplicação de grafeno, por exemplo, tem mostrado reduzir o atrito durante o corte, melhorando o acabamento superficial e a precisão da usinagem.

A aplicação de MQL também tem sido crucial na indústria aeronáutica, onde a usinagem de materiais como as ligas de titânio exige altas exigências de precisão e eficiência. No entanto, o uso de métodos mais sustentáveis, como o MQL, tem ajudado a melhorar a sustentabilidade e reduzir os custos de operação, minimizando os impactos ambientais sem comprometer a qualidade do produto final.

Em termos de desempenho, a MQL demonstrou vantagens significativas em várias medidas, incluindo o aumento da vida útil das ferramentas e a melhoria na qualidade da superfície das peças usinadas. A aplicação de MQL pode resultar em menores forças de corte, menor temperatura de operação e, consequentemente, menos desgaste das ferramentas. Isso é particularmente importante quando se trabalha com materiais de alta resistência, como as ligas de titânio, que, por sua natureza, geram altos níveis de calor durante a usinagem.

Apesar dos benefícios, existem desafios a serem superados. Um dos principais desafios da implementação do MQL em larga escala é a necessidade de sistemas de distribuição de lubrificantes altamente eficientes, que possam garantir a entrega precisa e eficaz de lubrificante, mesmo em condições de corte severas. Isso exige um design otimizado de bicos e sistemas de controle que possam adaptar a quantidade de fluido aplicada de acordo com as condições do processo de usinagem.

Além disso, a percepção de que a MQL pode ser uma solução milagrosa para todos os tipos de processos de usinagem deve ser tratada com cautela. Embora seja altamente eficaz em muitos cenários, nem todos os processos de usinagem podem se beneficiar igualmente da MQL. Por exemplo, em processos de usinagem de alta velocidade ou em materiais extremamente abrasivos, pode ser necessário combinar a MQL com outros métodos de resfriamento e lubrificação, como a criogenia, para obter os melhores resultados.

Outro ponto relevante que surge com o uso da MQL e das alternativas ecologicamente corretas é a questão do custo. Embora o investimento inicial em sistemas de MQL e em fluidos especializados possa ser mais alto, o retorno sobre o investimento (ROI) pode ser significativo a longo prazo, uma vez que esses sistemas aumentam a vida útil das ferramentas, reduzem a quantidade de resíduos e melhoram a eficiência dos processos, resultando em menores custos operacionais.

Como o uso de nanomateriais pode melhorar o desempenho na retificação de ligas à base de níquel?

O uso de nanomateriais na lubrificação de processos de retificação tem mostrado benefícios significativos na melhoria do desempenho de ferramentas e na qualidade das superfícies trabalhadas, especialmente ao se tratar de ligas difíceis de usinar, como as ligas à base de níquel, como o Inconel 718. A adição de nanopartículas como MoS2 e Al2O3 aos lubrificantes biológicos, por exemplo, tem demonstrado uma redução importante no desgaste das ferramentas e no aumento do índice de suavização das superfícies.

Em diversos estudos, foi observada uma redução no desgaste da ferramenta ao se utilizar nanomateriais. O uso de nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs), por exemplo, levou a uma diminuição de 26,3% no desgaste, comparado ao Al2O3. Essa redução no desgaste é atribuída à formação de camadas protetoras durante o processo de retificação, onde as nanopartículas formam uma espécie de camada microcapilar na superfície da ferramenta, garantindo que o lubrificante penetre eficazmente na zona de retificação. Além disso, as partículas esféricas de Al2O3 ajudam a transformar o atrito deslizante entre a ferramenta abrasiva e a peça em atrito rolante, o que diminui a área de contato e, consequentemente, o desgaste.

Outro aspecto crítico é o impacto do uso de nanomateriais na temperatura de retificação. Ligas à base de níquel, como o Inconel 718, têm baixa condutividade térmica, o que resulta em um acúmulo de calor durante o processo, prejudicando tanto a qualidade da peça quanto a eficiência do processo. Ao se utilizar óleos vegetais, como óleo de palma, juntamente com nanopartículas, foi possível observar uma redução significativa na temperatura de retificação. A adição de Al2O3, por exemplo, causou uma queda na temperatura de 105°C para 80°C, o que evidencia o potencial dos nanomateriais na melhoria da eficiência térmica do processo.

Além da redução da temperatura, os nanomateriais também influenciam a morfologia dos detritos gerados durante a retificação. Com o uso de óleo de palma e Al2O3, por exemplo, foi observado que os detritos eram mais finos e apresentavam uma superfície mais lisa, o que pode ser atribuído ao desempenho superior de lubrificação dos nanomateriais. Isso é importante, pois a forma e a textura dos detritos têm um impacto direto na eficiência do processo e na qualidade final da peça. A adsorção das nanopartículas na superfície dos detritos ajuda a reduzir o atrito e melhora a remoção de material.

A qualidade superficial da peça também é diretamente influenciada pela utilização de nanomateriais no lubrificante. Experimentos demonstraram que a adição de Al2O3 nanoparticulado ao óleo de palma resulta em uma redução significativa na rugosidade da superfície, o que é um indicativo claro de que os nanomateriais não apenas protegem as ferramentas, mas também melhoram a qualidade da peça trabalhada. A redução da rugosidade está associada à capacidade dos nanomateriais em fornecer uma lubrificação mais eficiente, o que diminui os efeitos de plowing e sliding durante a retificação.

Porém, o uso de nanomateriais requer uma dose cuidadosa. Concentrações muito altas ou muito baixas de nanopartículas podem não ter o efeito desejado. A concentração ótima de nanopartículas deve ser bem definida, pois, como observado em estudos, o uso de uma concentração ideal de nanotubos de carbono (CNT) reduziu a temperatura de retificação de forma mais eficaz do que concentrações muito altas ou baixas. O equilíbrio entre a quantidade de nanopartículas e a eficiência de lubrificação é um fator crucial para o sucesso do processo de retificação.

Além disso, é importante entender que a interação entre as propriedades físico-químicas do lubrificante e a capacidade de resfriamento e lubrificação pode influenciar diretamente o comportamento térmico e o desempenho da retificação. Diferentes óleos vegetais possuem características distintas de viscosidade e tensão superficial, o que pode afetar o desempenho do processo. Óleos como o de ricino, por exemplo, têm viscosidade elevada, o que pode dificultar a transferência de calor, enquanto o óleo de palma, com viscosidade moderada, mostrou-se o mais eficaz para reduzir a temperatura durante o processo.

Como a Distribuição do Fluxo de Ar e o Movimento de Microgotas Afetam o Processo de Usinagem: O Impacto nas Estratégias de Lubrificação e Transferência de Calor

No processo de retificação, Han et al. [108, 109] realizaram simulações numéricas para investigar a distribuição do fluxo de ar, descobrindo que velocidades lineares mais altas da roda de moagem aumentam a espessura da "camada de barreira de gás", a pressão do ar e a velocidade do fluxo de ar na área de moagem. A Figura 1.11a ilustra que um aumento no diâmetro da roda de moagem e uma redução acentuada no ângulo de cunha dentro da área de moagem melhoram consideravelmente a intensidade do fluxo de retorno. Além disso, uma diminuição no espaço mínimo entre a roda de moagem e as peças de trabalho resulta em um aumento acentuado nas pressões de pico e de entrada na área de moagem, dificultando significativamente a entrada de fluido de corte. Zhang et al. [110] desenvolveram um modelo para determinar a taxa de fluxo efetiva na área de moagem, levando em consideração a morfologia real da superfície da roda de moagem. Embora o campo de fluxo de ar na superfície da roda de moagem obstrua o fornecimento de lubrificante, Zhang et al. [111] utilizaram bicos raspadores e sapatos para mitigar esse efeito e melhorar a taxa de fluxo efetiva. Baumgart et al. [112] investigaram a interação do refrigerante com a roda de moagem, focando na influência do fluxo de ar utilizando diversos tipos e parâmetros de bicos de refrigerante.

Wei [120] projetou um mecanismo de fixação de bico com um grau de liberdade, que gira ao redor da ferramenta, com quatro bicos que giram 90° para completar um ciclo completo sob condições de fresamento. Ao abrir e ajustar as posições dos bicos com base na posição relativa da fresa e da peça de trabalho, esse mecanismo remove eficazmente os pontos cegos do fresamento durante a operação. A equipe do Professor Li Changhe desenvolveu uma série de equipamentos inteligentes para o fresamento e torneamento. O lubrificante é eficientemente entregue ao ponto de corte ao longo do “fluxo de entrada” por meio de ajustes em tempo real na posição do bico (três graus de movimento) e na postura (três graus de rotação). A aquisição da distribuição do campo de fluxo de ar utilizando parâmetros da fresa e a posição fresa-peça de trabalho é central para o sistema de controle inteligente, pois impulsiona as estratégias de controle da posição do bico. Wu [121] construiu um sistema de fixação de bico com três graus de liberdade (Figura 1.11c) e mapeou a posição do bico, a distribuição do campo de fluxo de ar e os parâmetros da ferramenta (velocidade, diâmetro, ângulo helicoidal) no fresamento de extremidade. Além disso, foi desenvolvido um modelo para a posição ideal do jato e o ponto de atitude, ajustando a posição do jato com base nas condições de processamento, de modo que o campo de correntes de retorno na interface restrita fresa-peça de trabalho possa servir como um "arrasto" para o fluido de corte.

A interação entre as microgotas e a superfície da peça de trabalho é fundamental para a transferência de calor eficaz. No entanto, a complexidade da zona de corte, com microcanais e geometria confinada, muitas vezes dificulta a infiltração adequada do lubrificante. Este é um desafio significativo para a manutenção da integridade superficial da peça e para prolongar a vida útil da ferramenta de corte.

Quais são as Inovações e Desafios na Pesquisa de Fluidos de Corte Ecológicos?

Por isso, uma das principais frentes de pesquisa atual busca alternativas mais ecológicas, sem comprometer a eficiência das operações. O desenvolvimento de aditivos de extrema pressão biodegradáveis e com menores riscos biológicos tem sido o foco de muitos estudos, sendo os aditivos à base de borato uma das soluções mais promissoras. Recentemente, pesquisadores sintetizaram o ácido dodecanóico dietanolamida borato por reações de esterificação e condensação. A adição de apenas 11,3% desse aditivo a um fluido de corte semissintético resultou em uma redução impressionante do coeficiente de atrito para 0,056, além de atender a todos os padrões de desempenho exigidos pelas normas GB/T6144-2010.

Em adição aos aditivos de extrema pressão e fluidos à base de óleo vegetal, a pesquisa também tem explorado outras alternativas sustentáveis, como ácidos graxos poliméricos, resinas ácidas e seus derivados, que estão sendo vistos como substitutos amigáveis ao clorato de parafina. O desenvolvimento de fluidos de corte ecológicos não se limita, portanto, à escolha de aditivos e bases vegetais, mas também ao aprimoramento das propriedades desses fluidos por meio da combinação com outros componentes, como surfactantes para melhorar a eficiência de resfriamento e agentes antiespumantes para evitar a formação de bolhas durante o processo de usinagem.

O processo de síntese desses aditivos ecológicos é complexo e exige precisão para garantir tanto a eficácia do fluido de corte quanto a compatibilidade com os princípios da sustentabilidade. Isso inclui a utilização de técnicas de azeotropia para a obtenção de aditivos anti-desgaste a partir de óleos vegetais e aminas alcoólicas, como demonstrado em pesquisas recentes. A cada nova descoberta, surgem soluções mais eficientes e seguras para o meio ambiente e para os trabalhadores da indústria.