Guia para a utilização de fluidos de corte na maquinagem CNC

Em Maquinação CNCA seleção correta de um fluido de corte é crucial para garantir a eficiência, a qualidade e a segurança das operações de maquinagem. Os fluidos de corte, também conhecidos como "líquido de refrigeração", "fluido metalúrgico" ou "fluido de maquinagem", não só lubrificam e arrefecem a área de corte, como também ajudam a remover as aparas, evitando o sobreaquecimento e o desgaste das máquinas.

Este artigo irá detalhar as classificações e caraterísticas básicas do líquido de refrigeração, explorando a forma de escolher o fluido de corte mais adequado com base em diferentes tipos de materiais e operações de maquinagem para otimizar o desempenho da maquinagem, prolongar a vida útil da ferramenta e reduzir custos de maquinagem. Esperamos que isto ajude os apaixonados pela maquinagem CNC.

Classificações básicas dos fluidos de corte

Os principais fluidos de corte incluem principalmente os seguintes tipos, e é essencial compreender as caraterísticas de cada um antes da aplicação.

(1) Emulsão (fluido de corte à base de água)

Composto principalmente por água, óleo emulsionado e vários aditivos. As vantagens deste líquido de arrefecimento incluem o baixo custo e o bom desempenho de arrefecimento, especialmente adequado para operações de maquinagem que requerem uma dissipação de calor substancial. No entanto, também tem desvantagens, como a propensão para o crescimento bacteriano e a elevada corrosividade, o que exige um controlo rigoroso e uma manutenção regular durante a utilização.

(2) Fluido totalmente sintético

Cutting fluid without petroleum oil base, primarily composed of various chemical additives. Its main advantages include excellent cooling (often classified under industry standards like ASTM D2881 ^[1]) and lubrication performance and resistance to bacterial growth, making it very popular in applications requiring highly clean machining environments. However, fully synthetic fluids are relatively expensive, and some chemical components may be corrosive to the machine.

(3) Fluido semi-sintético

Situado entre a emulsão e o fluido totalmente sintético, contendo uma certa proporção de óleo de petróleo e água. Este líquido de arrefecimento combina o efeito de arrefecimento da emulsão e a lubricidade do fluido totalmente sintético, tentando equilibrar ambas as vantagens. No entanto, devemos ter em atenção a sua bioestabilidade e corrosividade. Isto pode afetar a sua aplicabilidade em certos ambientes de maquinação.

(4) Óleo de corte reto (fluido de corte à base de óleo)

Mainly made from mineral oil or vegetable oil and is completely water-free, thus providing superior lubricity and preventing workpiece corrosion and rust. This makes it particularly suitable for machining operations requiring high lubrication. However, the heat capacity of straight-cutting oil is relatively low, and its cooling effect is not as good as water-based cutting fluids, which may be a limitation in high-speed or high-temperature machining.

(5) Óleo solúvel:

This is the concentrated oil-based precursor that forms the emulsions discussed in category (1). It typically contains a high mineral oil content (often 50-80%), providing superior lubricity for heavy-duty machining needs. However, the use of soluble oil requires strict control of the dilution ratio and water quality to prevent corrosion and bacterial growth, ensuring the safety and efficiency of the machining process.

Depois de compreender claramente as caraterísticas dos diferentes fluidos de maquinagem, podemos selecionar o fluido metalúrgico adequado para diferentes materiais e operações, de modo a otimizar o desempenho da maquinagem.

Fluidos de corte adequados para diferentes materiais

A escolha do líquido de refrigeração correto é crucial para garantir uma maquinação eficiente e de alta qualidade, uma vez que diferentes materiais requerem diferentes fluidos de corte.

(1) Metais leves como o alumínio

Due to its soft, gummy nature and tendency to adhere to the cutting tool (causing Built-Up Edge), we recommend using a water-based cutting fluid with high cooling capacity and low viscosity. This machining fluid effectively prevents chip buildup on the tool, reducing friction during machining, preventing overheating, and ensuring a smooth surface finish.

(2) Materiais difíceis de maquinar, como o aço inoxidável

Because stainless steel’s high strength and toughness can cause severe tool wear, utilizing metalworking fluids with extreme pressure (EP) additives is crucial. These additives form a protective film on the contact surface between the tool and the workpiece, reducing wear and welding, and improving cutting efficiency.

(3) Cobre e suas ligas

Devem ser utilizados fluidos de corte que evitem a descoloração da superfície e a corrosão da peça de trabalho. O cobre é relativamente macio e propenso a aderir durante a maquinagem. A seleção de fluidos de refrigeração com baixo ou nenhum teor de enxofre pode evitar pontos negros e outras reacções de oxidação na superfície de maquinagem, mantendo a cor e o brilho originais do cobre.

(4) Materiais de liga de titânio

Devido à elevada resistência e à baixa condutividade térmica da liga de titânio, recomenda-se a utilização de fluidos de corte especificamente concebidos para ligas de alta temperatura, normalmente contendo componentes de lubrificação e arrefecimento eficientes. Os fluidos de refrigeração adequados proporcionam uma boa lubrificação, reduzem o calor de fricção e previnem eficazmente as reacções químicas e a adesão, prolongando a vida útil da ferramenta.

(5) Ligas de alta temperatura, como as ligas à base de níquel e de cobalto

These materials generate a lot of heat during cutting due to their heat resistance and high hardness. When machining these materials, it is highly recommended to use extreme pressure cutting fluids formulated with inactive sulfur or phosphorus compounds, which form a protective film under high temperatures, reducing friction and wear. Additionally, excellent cooling performance is required, often necessitating High-Pressure Coolant (HPC) systems operating at 70 to 100 bar ^[2] to overcome the thermal vapor barrier.

Cada material tem as suas propriedades físicas e químicas únicas, e a seleção do líquido de refrigeração mais adequado pode melhorar a eficiência e a qualidade da maquinagem, maximizando a vida útil das máquinas e ferramentas.

Fluidos de corte adequados para diferentes operações

Os diferentes tipos de operações de maquinagem também têm requisitos específicos para a seleção de fluidos metalúrgicos, envolvendo aspectos de arrefecimento, lubrificação, remoção de aparas e anti-corrosão.

(1) Operações de viragem

Envolve frequentemente a remoção contínua de material, exigindo fluidos de corte com bom desempenho de arrefecimento e lubrificação para proteger as ferramentas e as peças de trabalho. Ao tornear aço ou ligas duras, a escolha de fluidos de maquinagem à base de óleo com aditivos de extrema pressão pode proporcionar uma lubrificação adicional, reduzindo a produção de calor e o desgaste. Para o alumínio ou outros metais não ferrosos, a ênfase é colocada na capacidade de arrefecimento do fluido de corte para evitar a adesão de material à ferramenta.

(2) Operações de fresagem

Involves more complex tool paths and multi-point cutting, requiring cutting fluids to provide excellent cooling and chip removal performance. When machining hard-to-machine materials such as stainless steel or high-temperature alloys, high-performance fully synthetic, or semi-synthetic cutting fluids can effectively reduce tool wear and severe thermal distortion of the workpiece. They maintain low temperatures in the cutting area, improving machining accuracy.

(3) Operações de perfuração

Deep hole drilling requires machining fluids to penetrate the hole bottom to provide lubrication and cooling. Efficient cutting fluids help quickly remove chips, prevent clogging and overheating, and avoid damage to the hole wall and dimensional inaccuracies. For deep hole drilling, using low-viscosity and high-cooling water-based cutting fluids is especially suitable because these fluids can easily penetrate small holes and narrow spaces.

(4) Grinding Operations

Generates significant heat, requiring cutting fluids with excellent cooling performance to prevent workpiece overheating and thermal damage. Water-based cutting fluids are usually preferred because they can quickly absorb and conduct heat, maintaining low temperatures in the grinding area. Additionally, high detergency (flushing capability) is strictly necessary to wash away microscopic swarf, prevent grinding wheel loading, and improve surface finish quality.

Em resumo, a escolha do líquido de refrigeração adequado não só melhora a eficiência e a qualidade da maquinagem, como também prolonga a vida útil das máquinas e ferramentas. Isto garante a segurança operacional e a maximização dos benefícios económicos.

Precauções na utilização de fluidos de corte

Ao selecionar os fluidos de corte, é necessário considerar de forma abrangente o seu desempenho, segurança e impacto ambiental para maximizar a relação custo-eficácia.

(1) Proteção do ambiente

A proteção ambiental é cada vez mais enfatizada, tornando os fluidos de corte amigos do ambiente um tópico importante. Os fluidos de corte amigos do ambiente são fabricados principalmente a partir de materiais biodegradáveis, reduzindo a poluição ambiental. Para além disso, estes fluidos de corte normalmente não contêm químicos nocivos, reduzindo a dificuldade e o custo do tratamento de fluidos residuais. A utilização de fluidos de corte amigos do ambiente ajuda as empresas a cumprir os regulamentos ambientais cada vez mais rigorosos e melhora a sua imagem de marca ecológica.

(2) Segurança

Safety is an indispensable factor in the work environment, especially when cutting fluids are involved. Traditional cutting fluids may contain harmful chemicals such as sulfates, chlorine, and heavy metals, which can cause skin irritation, respiratory problems, and more serious health issues. Therefore, choosing low-toxicity or non-toxic cutting fluids and maintaining airborne mist concentrations strictly below the NIOSH limit of 0.4 mg/m³ ^[3] is key to protecting operator health, reducing health risks, and providing a safer working environment for operators.

(3) Economia

From an economic perspective, choosing the right cutting fluid is crucial for controlling production costs. Environmentally friendly and high-performance machining fluids may have higher initial purchase costs. But, in the long run, they can significantly lower overall operational costs by reducing tool wear, improving machine efficiency, and lowering waste disposal fees. Additionally, using high-quality metalworking fluids can extend equipment life, reduce production interruptions, and further optimize production costs.

Resumo

Este artigo analisa exaustivamente os tipos de fluidos de refrigeração e os respectivos critérios de seleção para diferentes materiais e operações de maquinagem. Desde emulsões a fluidos totalmente sintéticos, cada fluido de corte tem as suas vantagens únicas e cenários aplicáveis, proporcionando efeitos óptimos de arrefecimento, lubrificação e anti-corrosão para materiais específicos e necessidades de maquinagem, ao mesmo tempo que se concentra em considerações ambientais, de segurança e económicas.

Through precise selection and application of suitable cutting fluids, facilities providing custom CNC machining services can improve machining efficiency and product quality, ensure a safe operating environment, and optimize production costs, achieving efficient, economical, and sustainable production.

Referência

[1] ASTM International. (2019). ASTM D2881-19 Standard Classification for Metalworking Fluids and Related Materials. https://doi.org/10.1520/D2881-19

[2] Raykar, S. J., & D’Addona, D. M. (2019). Thermal Modeling of Tool Temperature Distribution during High Pressure Coolant Assisted Turning of Inconel 718. Materials, 12(3), 408. https://doi.org/10.3390/ma12030408

[3] National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). (1998). Criteria for a Recommended Standard: Occupational Exposure to Metalworking Fluids. Centers for Disease Control and Prevention (CDC). https://stacks.cdc.gov/view/cdc/5175