Os processos de usinagem apresentam inúmeros métodos para obtenção de componentes mecânicos. Dependendo de sua aplicação os componentes mecânicos requerem características especificas ou maior precisão na obtenção de sua forma. Dentre os processos de acabamento que utilizam ferramentas de gume de geometria não-definida, destaca-se o brunimento por apresentar elevada precisão dimensional e de forma, além de conferir a superfície características específicas. A Figura 2.16 apresenta alguns modelos de ferramentas de geometria não-definida.
Figura 2.16 Exemplo de ferramentas de geometria não-definida.
2.5.1 Histórico do brunimento
Uma das primeiras notícias sobre o emprego do processo de brunimento foi em 1910, na Alemanha. Nesta ocasião, a ferramenta de brunir era constituída de um cilindro de madeira bipartido, no qual encontravam-se dispostas pedras abrasivas.
Em 1921, uma fabrica em Detroit registrou a primeira patente do processo, que se distinguia pelo uso de uma ferramenta expansível em um elemento cardânico de transmissão de força.
Em 1935, a Chrysler detectou falha, em seus mancais, causadas por impacto e vibrações resultante de acabamento insuficiente nas pistas de rolamentos resultando no desenvolvimento do brunimento de curso curto (“superfinishing”).
Na década de 60, teve início a utilização das ferramentas de diamante. A longa vida das ferramentas associada às altas taxas de remoção proporcionou o crescimento da produtividade, permanecendo a qualidade das peças constante ao longo de todo o processo de brunimento.
Atualmente pode-se observar um crescente desenvolvimento, com a aplicação de mais de uma etapa no processo de obtenção de superfícies brunidas Pawlus (1996). Um maior domínio na produção de abrasivos, principalmente diamante e CBN também contribuíram para a evolução e obtenção de superfícies com melhor acabamento.
As novas características construtivas das ferramentas têm permitido a obtenção de peças de elevada precisão, o que reflete sensivelmente na produção.
Em conjunto, a automatização da máquina de brunir tem levado a uma alta eficiência destes sistemas produtivos, possibilitando a correção de erros de forma, redução de custos, alta eficiência, mas principalmente grande flexibilidade da produção.
2.5.2 Definições
O brunimento é um processo mecânico de usinagem por abrasão, empregado no acabamento de peças. Durante o processo, os grãos ativos do brunidor entram em contato com a superfície da peça. Esta gira lentamente e o brunidor desloca-se ao longo da geratriz da superfície de revolução com movimentos alternativos de pouca amplitude e freqüência relativamente elevada.
Na maioria dos casos, o brunimento é feito com uma ferramenta especial de retificação, constituída de segmentos de material abrasivo, montados em grupo.
A Figura 2.17 ilustra a ação da ferramenta de brunimento, ou seja, o brunidor sobre a superfície que será trabalhada. Ao girar, o brunidor faz um movimento vertical oscilante de subida e descida. Apresenta diferenças em relação ao processo de retificação, especificamente a velocidade, a superfície de contato da ferramenta rugosa, o movimento alternado e maiores pressões de trabalho. No brunimento a velocidade de rotação da ferramenta é inferior a retificação e o trabalho é feito com
pressões mais elevadas da ordem de 3 a 8 kgf/cm2, ou seja, de 0,3 a 0,8 MPa.
Figura 2.17 - Representação do brunimento (SCHIMIDT, 1999).
O processo é usado para melhorar as características superficiais, conferir precisões geométricas as peças obtidas por operações anteriores como usinagem, sinterização, tratamento térmico, etc. Este processo elimina danos superficiais pelo emprego de baixa velocidade e ação suave a ferramenta, caracterizando-se pela combinação de um movimento axial com um rotacional ou transversal para o brunimento de superfícies planas (CARVALHO, 2007).
2.5.3 Superfície brunida
A superfície brunida e identificada como resultado final de um processo de acabamento, ou seja, superfície que apresenta características finais para sua aplicação, apresentando baixos valores de rugosidade da ordem de micrometros, além de bom contato entre as partes com excelente comportamento de desgaste e boa redução de nível de ruído. No brunimento, também, pela baixa geração de calor, não ocorre oxidação e nem alteração da estrutura cristalina SCHIMIDT (1999).
Em grande parte dos casos, a cinemática do brunimento proporciona uma superfície com estrias cruzadas que apresentam, em geral, um ângulo de cruzamento de 45º a 60º, faixa esta baseada em pesquisa empírica as quais mostram que o consumo de óleo depende deste ângulo Figura 2.18. Os ângulos
com menor valor são apropriados para superfícies de deslizamento a seco, e os grandes são associados a um elevado consumo de óleo. Na medida em que o ângulo de cruzamento aumenta, a quantidade de linhas, ou seja, quantidade de sulcos na superfície diminui, reduzindo o volume de óleo retido na superfície. A redução do volume de óleo na superfície é devido à redução dos sulcos que o retém e está associada diretamente a redução do consumo de óleo em um MCI.
Figura 2.18 - Exemplo de imagem topográfica da superfície do cilindro ( DECENCIÉRE e JEULIN, 2001)
2.5.4 Brunimento de platô
Com o brunimento de platô objetiva-se desenvolver uma estrutura especifica, a qual apresenta um perfil periódico com grandes áreas planas separadas por sulcos. O perfil gerado neste processo diferencia-se do obtido no brunimento de acabamento, principalmente por melhores características de resistência ao desgaste e a retenção de óleo. Figura 2.19
Direção de movimento do pistão
Ângulo de
Figura 2.19 - Perfil resultante do brunimento de desbaste e platô (SCHIMIDT, 1999). O perfil final do brunimento é obtido em duas etapas e em alguns casos uma terceira etapa pode ser necessária: brunimento de desbaste, platô de base e platô de acabamento.
No desbaste, elimina-se a heterogeneidade gerada nos processos de fabricação anterior. A ferramenta de desbaste deve possuir a capacidade tanto de alisar quanto de aumentar a rugosidade da superfície. Nesta etapa, utiliza-se uma granulometria grosseira promovendo a formação dos sulcos profundos que devem estar presentes nas superfícies do perfil platafórmico.
No brunimento de platô de base uma rápida remoção dos picos aleatórios, com uma ferramenta de granulométrica menor, formando os pequenos platôs. A estrutura platafórmica possui grande área de apoio e baixa rugosidade.
Em alguns casos o processo pode apresentar mais uma etapa, o brunimento de acabamento. Objetiva-se reduzir a rugosidade dos platôs, gerados na fase anterior, o que resulta na melhora das características aconselháveis para uma superfície de deslizamento. A ferramenta, neste caso, possui granulométrica mais fina.
Somente com o emprego da superfície com processo de brunimento de platô, tem-se um comportamento de desgaste favorável para atender, por exemplo, às exigências feitas às camisas de pistões de motores diesel de alta compressão e de outros elementos que atuam sobre condições de atrito lubrificado.
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MATERIAIS E MÉTODOS
Para a realização dos ensaios foram utilizados blocos do motor, anéis de aço e ferro fundido e óleo lubrificante. Todos estes componentes são provenientes de um produto existente e comercialmente disponível no mercado brasileiro. Desta forma foi buscada a total aplicabilidade deste estudo, tentando-se realizar as análises da forma mais próxima de uma utilização cliente e das condições de funcionamento do motor.
3.1. Caracterização do material
O componente avaliado foi um bloco do motor de ferro fundido cinzento de grafita lamelar GL04, produzido pela Fundição Tupy S/A. A Tabela 1 apresenta a composição química do componente ensaiado.
Tabela 1 - Composição química do ferro fundido lamelar GL04 (% em massa)
C Si Mn S P Cr Sn Cu Ni Mo
GL04 3,1 1,9 0,5 < < 0,25 < < < <
3,5 2,4 0,9 0,15 0,12 0,35 0,15 0,6 0,2 0,1
Para a realização das análises metalográficas as amostras foram retiradas da parede do cilindro e do anel e polidas metalograficamente para acabamento equivalente a pasta de diamante de 1 µm. A análise foi realizada no microscópio óptico Carl Zeiss JENAVERT® acoplado a uma câmera digital e com o analisador de imagens IMAGE PRO-PLUS®.
No bloco do motor, as observações foram realizadas diretamente sobre a superfície brunida (Região 1) e na seção transversal (Região 2), como mostra a Figura 3.1
R egião 1
R egião 2
A B C
Figura 3.1 - Regiões analisadas do bloco motor. Região 1=superfície brunida; Região 2= seção transversal: A = parede da galeria de água; B = núcleo; C =
superfície.
A microestrutura revelada pelo ataque químico com o reagente Nital 3% revelou que a matriz para os cilindros é perlítica, como pode ser visto na Figura 3.2. A dureza Brinell do cilindro está na faixa de 195 a 204 HB 2,5/187,5.
(a)
(b)
Figura 3.2 - Revelação da microestrutura com grafita lamelar. (a) Região central B citada na Figura 3.1 e (b) Região C face de contato. Ataque com Nital 3%.
Os anéis utilizados são brevemente descritos a seguir. Considerados como retentores metálicos responsáveis basicamente por duas funções primordiais no funcionamento de um motor à combustão interna: manter os gases pressurizados da combustão na parte superior do pistão e a segunda função, que se tornou mais importante nos últimos tempos em função do maior rigor das normas de emissões, manter o óleo do motor abaixo do pistão. (VOLCI, 2007).
O anel de primeiro canalete, também chamado de anel corta-fogo, geralmente trata-se de um anel retangular ou de face inclinada. A superfície de contato com o cilindro é geralmente abaulada, em anéis de ferro fundido são protegidas contra desgaste mediante revestimento de cromo ou molibdênio.
O segundo anel, chamado de anel de estanqueidade, é projetado geralmente como anel de face inclinada, com uma ação pronunciada de remoção de óleo. Assim age não somente como segundo estágio da vedação dos gases e equilíbrio de pressão no segundo cordão do pistão, mas também contribui na redução do consumo de óleo.
Além dos anéis de compressão, que têm seu papel como barreiras para os gases da combustão, o pistão precisa de um mecanismo que controle a quantidade de óleo presente sobre a superfície do cilindro. Este controle visa formar uma
película constante de óleo sobre o cilindro, que permita o deslizamento do pistão e anéis sobre a superfície do cilindro com atrito reduzido, porém impedindo que o óleo chegue à câmara de combustão e seja queimado.
A tabela 2 apresenta os materiais e os revestimentos utilizados na confecção dos anéis.
Tabela 2 – Identificação dos anéis utilizados em um motor de combustão interna e seus materiais e revestimentos.
Descrição Material Revestimento
Anel corta fogo Ferro fundido ou
aço inoxidável
Cromo ou molibdênio para aço nitretação.
Estanqueidade Ferro fundido sem revestimento
Controle de óleo ou
raspador Ferro fundido
cromo ou molibidênio.
Nos anéis, as análises foram realizadas na seção transversal (Figura 3.3).
Figura 3.3 - Regiões analisadas no anel (seção transversal).
Ensaios de microdureza Vickers utilizando carga de 20 gf (HV0,02) foram
realizados nos anéis.
A Figura 3.4 apresenta a microestrutura do anel do primeiro canalete com ataque de Nital 3% com camada nitretada contínua e uniforme distribuída ao longo da seção transversal do anel, com espessura de 51 a 69 µm.
Figura 3.4 - Camada nitretada sobre o anel do primeiro canalete de aço inoxidável. A figura 3.5 a) apresenta a Matriz perlítica através da revelação com Nital 3% para o anel do segundo canalete. b) Ilustra o material de base com grafita nodular de tamanho predominante igual a 3. Micro dureza HV entre 306 a 338HV.
Figura 3.5 - Microestrutura do material de base para os anéis em ferro fundido do segundo canalete.