BR102016026465B1 - Aplicação de fluido de corte a baixas temperaturas em processo de retificação visando redução de danos térmicos - Google Patents

Abstract

aplicação de fluido de corte a baixas temperaturas em processo de retificação visando redução de danos térmicos. a presente invenção refere-se à utilização de fluido de corte convencional miscível em água aplicado no processo de retificação em temperaturas abaixo da temperatura ambiente a fim de aumentar a capacidade de refrigeração do mesmo. ao aumentar a capacidade de refrigeração observou-se redução dos danos térmicos causados à peça de aço durante o processo de retificação em relação ao fluido de corte aplicado a temperatura ambiente. não foram observadas as queimas de retífica a olho nu após a usinagem com fluido de corte resfriado. além disso, a variação da microdureza abaixo da superfície da peça retificada foi minimizada.

Description

[001] Campo da invenção

[002] A presente invenção se refere à aplicação de fluido de corte convencional (miscível em água) a baixas temperaturas nos processos de retificação plana para reduzir e/ou eliminar os danos de origem térmica que ocorrem ern peças (conhecidos popularmente como danos térmicos). Estes danos em geral ocorrem em peças que são submetidas ao processo de retificação com rebolos com abrasivos cerâmicos convencionais em consequência da elevada geração de calor na zona de corte. Devido as pequenas sessões dos cavacos produzidos e a natureza dos abrasivos convencionais que apresentam pobre condutividade térmica em elevadas temperaturas de usinagem, o calor gerado é em grande parte direcionado para a peça. Desta forma, haverá a elevação de temperatura, que, dependendo das condições de corte empregadas irá causar alterações metalúrgicas indesejáveis, como, por exemplo, a queima de retifica que irá causar o refugo da peça. Ao abaixar a temperatura do fluido de corte durante a retificação ele terá sua capacidade de refrigeração elevada, e assim minimizando e/ou eliminando o risco de ocorrer os térmicos durante a retificação de aços com rebolos abrasivos convencionais.

[003] Estado da técnica

[004] A retificação é um processo de usinagem por abrasão em que praticamente toda a energia gasta durante a operação se transforma em calor. Este processo possui algumas peculiaridades que exigem especial atenção dos usuários de usinagem, principalmente para garantir que a peça usinada seja livre de defeitos ou que estes sejam mínimos a fim de não comprometer a sua funcionalidade. Elas são: rebolo de abrasivo convencional (óxido de alumínio e carbeto de silício) possui pobre condutividade térmica em elevas temperaturas de corte, os valores de penetração de trabalho são pequenos, com isso resultando em pequenas espessuras de cavaco, o ângulo de saída do grão abrasivo é em geral negativo causando deformação plástica intensa na zona de retificação. Como o calor gerado terá apenas quatro fontes possíveis para ser dissipado, rebolo, cavaco, peça e fluido de corte, devido à natureza refratária do rebolo e as pequenas sessões do cavaco, restam a peça e o fluido de corte para dissiparem a grande parte do calor. Assim, se não houver fluido de corte ou se ele não tiver acesso de forma eficiente à zona de corte, a maior parte desse calor será conduzida para a peça (entre 70 e 85%). Tal calor resultará no desenvolvimento de temperaturas elevadas o bastante para comprometer a integridade superficial e sub-superficial da peça, levando ao refugo da mesma. (MALKIN, S„ GUO, C„ "GRINDING TECHNOLOGY, Theory and Applications of Machining with Abrasives", Second Edition, Industrial Press, New York, 2008, 372 p.).

[005] Para evitar ou amenizar a ocorrência desses danos de origem térmica, os fluidos de corte são empregados para auxiliar na absorção e transporte do calor gerado durante o processo de retificação, reduzindo a quantidade de calor que é conduzida para a peça. Exatamente por possuir alta capacidade de refrigeração, os fluidos de corte miscíveis em água são os mais comumente utilizados nos processos de retificação em geral. (MARINESCU, I.D., “Handbook of Machining with Grinding Wheels”. Ed. CRC Press, Taylor & Francis Group, U.S., 2007, 596 p.).

[006] Entretanto, sabe-se da literatura que mesmo com a aplicação de um fluido de corte miscível em água durante o processo de retificação, muitas vezes se observa, ao final do processo de usinagem, danos de origem térmica tais como, marcas escurecidas visíveis a olho nu e variações de dureza abaixo da superfície retificada. Em alguns casos o calor que é direcionado para a peça causa elevada perda de dureza pouco abaixo da superfície usinada. Este fenômeno é conhecido em retificação como “queima da peça” e é responsável pela perda de produção.

[007] Durante as últimas décadas foram testadas alternativas à aplicação convencional de fluidos de corte no processo de retificação com o intuito de reduzir ainda mais a quantidade de calor que é conduzida para a peça. Dentre essas alternativas, destaca-se o uso de nitrogênio líquido como fluido de corte (PAUL, S., CHATTOPADHYAY, A. B., “Effects of cryogenic cooling by liquid nitrogen jet on forces, temperature and surface residual stresses in grinding steels”, Cryogenics 1995 Volume 35, Number 8, 515-523). Embora o nitrogénio liquido mantenha a temperatura na zona de corte bem abaixo da faixa de temperatura crítica para que ocorra queima da peça, os autores relataram algumas limitações durante o seu uso na época, tais como o custo e segurança do operador. Outra alternativa é a utilização de ar comprimido frio como fluido de corte, que se mostrou bastante efetivo em minimizar os danos térmicos de aços endurecidos após retificação cilíndrica com rebolos de nitreto cúbico de boro (CBN). Mas neste caso, é importante salientar que o rebolo empregado foi de CBN, considerado um material com elevada condutividade térmica mesmo em elevadas temperaturas de corte em relação aos abrasivos convencionais. (CHOI, H. Z., LEE, S. W., JEONG, H. D., “A comparison of the cooling effects of compressed cold air and coolant for cylindrical grinding with CBN wheel”, Journal of Materials Processing Technology 111, 2001, 265-268).

[008] Como o fluido de corte absorve calor da região de usinagem por convecção forçada, uma outra forma de reduzir a quantidade de calor transferido para a peça é diminuir a temperatura do fluido de corte antes de aplica-lo no processo de retificação. A menor temperatura do fluido de corte aumenta a taxa de transferência de calor entre a peça e o fluido, maximizando a capacidade de refrigeração deste e, consequentemente, reduzindo a parcela de calor conduzida para a peça. (KREITH, F., BOHN, M. S„ “PRINCÍPIOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR”, Ed. Pioneira Thomson Learning, 2003).

[009] Existem trabalhos que propõem a utilização de sistemas de refrigeração para fluidos de corte convencionais antes de serem aplicados no processo de retificação como, por exemplo, o modelo de utilidade MU8701828-4 U2, o qual sugere a utilização de fluidos de corte resfriados com o intuito de reduzir a contaminação. Outro exemplo (GAO, Y., TSE, S., MAK, H., “An active coolant cooling system for applications in surface grinding”, Applied Thermal Engineering 23, 2003, 523-537) é a utilização de um sistema de refrigeração para o resfriar o fluido de corte convencional antes de aplica-lo na operação de retificação. Entretanto, este trabalho não apresenta resultados de ensaios experimentais de tal sistema em condições reais de retificação, além de não garantir/comprovar que tal aplicação seja eficiente, principalmente no que diz respeito a evitar ou minimizar danos térmicos.

[010] É importante ressaltar que após buscas realizadas nos meios disponíveis não foram encontradas patentes ou até mesmo trabalhos que apliquem, na prática, fluido de corte convencional resfriado no processo de retificação que evidenciaram a diminuição e/ou prevenção dos danos térmicos em aços.

[011] Descrição da invenção

[012] A presente invenção consiste na aplicação de um fluido de corte convencional miscível em água (com concentração entre 2 e 10%), aplicado a baixas temperaturas, na faixa entre 2-18 °C, durante o processo de retificação de aços endurecidos (dureza entre 55-65 HRC), com o objetivo de aumentar o poder de refrigeração do fluido de corte e, consequentemente, diminuir a quantidade de calor que é conduzido para a peça. Com isso, houve a redução e / ou prevenção dos danos térmicos causados pelas elevadas temperaturas presentes na zona de corte, como, por exemplo, variações de dureza abaixo da superfície usinada e queima visível da peça (marcas escurecidas presentes na superfície retificada).

[013] O fluido de corte, antes de ser aplicado no processo de retificação, pode ser resfriado com o uso de técnicas simples como banho em gelo ou até mesmo técnicas mais aprimoradas como, por exemplo, uma unidade condensadora e serpentinas. Qualquer fluido de corte miscível em água pode ser utilizado, isto é, emulsões, microemulsões (semissintéticos) e soluções (sintéticos).

[014] Uma vez resfriado, o fluido de corte convencional (miscível em água) é então aplicado a zona de retificação pela técnica convencional de aplicação conhecida também como jorro ou inundação. O fluido foi direcionado por meio de um bocal do tipo sapata convencional que acompanha a máquina de forma que o jato tangenciasse o rebolo a uma vazão que variou entre 400 a 600 L/h. Admite-se a utilização de qualquer tipo de bocal, desde que o posicionamento do mesmo seja do tipo tangencial ( EBBRELL, S., WOOLLEY, N. H., TRIDIMAS, Y. D., ALLANSON, D. R., ROWE, W. B., “The effects of cutting fluid application methods on the grinding process”, International Journal of Machine Tools and Manufacture 40 (2), 2000, 209-223).

[015] A título de exemplificação, na FIGURA 1 são mostradas imagens da superfície do aço endurecido SAE 52100 (62 HRC) retificada com fluido de corte miscível em água (concentração de 5%) a temperatura ambiente (« 27 °C) em comparação com o fluido de corte resfriado (temperatura entre 2-18 °C), para duas condições de penetração de trabalho radial (ae): 20 μm e 30 μm. A escolha deste aço está relacionada com o fato de que ele é o aço mais utilizado para fabricação de componentes de rolamentos que, em sua maioria, necessitam ser usinados pelo processo de retificação. Este aço é muito propenso à queima de retifica, principalmente em componentes que são usinados pelo processo de retificação frontal e/ou sem centros (CARVALHO, R.V., “Análise Dinâmica de Rolamentos de Esferas”, Campinas: s.n., 2010. Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica). Além disso, este aço exige um rigoroso controle em relação aos parâmetros de usinagem, pois qualquer evidência de queima e/ou outras alterações metalúrgicas não desejadas leva ao refugo da peça (GONÇALVES NETO, L. M., “Aplicação de Fluido de corte em Quantidades Reduzidas para Usinagem do Aço SAE 52100 no Processo de Retificação Centerless de Passagem”, Tese de Doutorado, UNESP, Bauru, 2013).

[016] Através da FIGURA 1 pode-se observar que não há evidência de queima de retifica visível da peça após a retificação com a utilização do fluido de corte resfriado.

[017] Na FIGURA 2 são mostrados os perfis de microdureza abaixo das superfícies retificadas mostradas na FIGURA 1. Observa-se que a aplicação de fluido de corte resfriado amenizou ou até mesmo evitou o dano térmico, isto é, minimizou a variação de dureza bem próxima a superfície da peça que foi usinada em relação à dureza do material da peça que foi medida também antes do processo de retificação (representada pela linha pontilhada dos gráficos da FIGURA 2).

Claims (1)

1. APLICAÇÃO DE FLUIDO DE CORTE A BAIXAS TEMPERATURAS EM PROCESSO DE RETIFICAÇÃO VISANDO REDUÇÃO DE DANOS TÉRMICOS caracterizado pelo fluido de corte miscível em água estar em uma concentração que varia entre 2 e 10 % e ser resfriado a temperaturas que variam entre 2 e 18 °C.

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