Desenvolvimento de um porta-ferramentas refrigerado internamente por meio de nanorefrigerante e análise da aplicação do efeito eletrohidrodinâmico

Abstract

A busca por alternativas ao uso dos fluidos de corte tem sido o foco de diversas investigações. Apesar de representarem uma solução em termos de lubrificação e refrigeração das ferramentas de corte, também podem ser responsáveis por problemas de saúde dos operadores, danos ambientais e por custos adicionais aos processos de fabricação. Sendo assim, a refrigeração indireta da ferramenta de corte surge como um método a ser considerado. Objetivo - Aumentar a capacidade de resfriamento da ferramenta de corte através do desenvolvimento de um porta-ferramentas refrigerado internamente por intermédio de refrigerante/nanorefrigerante e também da aplicação do Efeito Eletrohidrodinâmico, resultando na eliminação ou redução da necessidade de utilização do fluido de corte. Métodos - Produção e caracterização de nanorefrigerantes (R141b/Al2O3) com três diferentes concentrações de nanopartículas (0,25 %, 0,50 % e 0,75 %). Foi desenvolvida uma Câmara de Aquecimento, análoga ao porta-ferramentas, para aplicação do efeito Eletrohidrodinâmico (EHD) e avaliação de sua capacidade em reduzir a temperatura da ferramenta. Também se desenvolveu um porta-ferramentas com canais internos para circulação dos nanorefrigerantes, a fim de reduzirem a temperatura e o desgaste da ferramenta de metal duro, durante os ensaios no torneamento do aço AISI 1045. Resultados – Os nanorefrigerantes permaneceram estáveis por até 48 horas, suas viscosidades aumentaram entre 44 % e 64 % com a variação das concentrações analisadas e a condutividade térmica do nanorefrigerante de menor concentração aumentou 44 %. A aplicação do efeito EHD se mostrou positiva em todos os casos analisados, com incrementos no valor do coeficiente de transferência de calor (h) de até 19 %. Nos ensaios de usinagem, o método com refrigeração interna se mostrou superior ao corte a seco e à utilização do fluido de corte em praticamente todas as condições. Ocorreram reduções da temperatura da ferramenta entre 9,6 % e 37,1 % e incrementos entre 12,9 % e 80 % na quantidade de material removido. Conclusão – O sistema de refrigeração interna se mostrou viável para a redução ou eliminação da utilização dos fluidos de corte, assim como a aplicação de nanorefrigerantes e do efeito eletrohidrodinâmico podem potencializar os efeitos positivos da refrigeração interna e, consequentemente, aumentar a vida da ferramenta de corte.

The seek for alternatives to the use of cutting fluids has been the focus of several investigations around the world. Although they represent a solution in terms of lubrication and cooling of cutting tools, they can also be responsible for health risks to the workers, environmental damages and additional costs to the manufacturing processes. Thus, Internal Refrigeration appears as a method to be considered. Objective - Developing a cutting tool cooling system that allows the cutting tool life to be similar or superior to the conventional cooling method, with cutting fluid, considering its environmental, economic and workers’ health impacts. Methods - Production and characterization of nanorefrigerants (R141b/Al2O3) with three different concentrations of nanoparticles (0.25 %, 0.50 % and 0.75 %). Development of a Heating Chamber, similar to the toolholder, for the application of the Electrohydrodynamic Effect (EHD) and evaluation of its ability to reduce the temperature of the cutting tool. Development of a toolholder with internal channels for the circulation of nanorefrigerants in order to reduce the temperature and wear of the cemented carbide cutting tool during the tests on the turning of AISI 1045. Results - The nanorefrigerants remained stable for up to 48 hours, their viscosities increased between 44 % and 64 % in the different analyzed concentrations and the thermal conductivity of the nanorefrigerant (0.25 %) increased 44 %. The application of the EHD effect was positive in all analyzed conditions, resulting in increments up to 19 % in the value of the heat transfer coefficient (h). In the machining tests, the method with internal cooling proved to be superior to dry cutting and to the use of cutting fluid in practically all conditions. There were reductions in the tool temperature between 9.6 % and 37.1 % and increments between 12.9 % and 80 % in the amount of removed material. Conclusion - The internal cooling system proved to be viable for reducing or eliminating the need of using cutting fluids, as well as the application of nanorefrigerants and the electrohydrodynamic effect can potentiate the positive effects of internal cooling and, consequently, increasing the cutting tool life.