Brunimento de acabamento

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veículos para reduzir os níveis de diferentes tipos de emissões, assim como para reduzir o consumo de combustíveis, novas tecnologias têm sido buscadas e desenvolvidas no campo das superfícies dos cilindros de blocos de motores. A seguir são apresentados processos de acabamento de cilindros aplicáveis em blocos de motores em ferro fundido vermicular.

2.5.4.1 “UV-Laser” 19

Uma tecnologia recente e já aplicada na produção em série de blocos de motores em ferro fundido vermicular consiste no processo denominado UV-Laser. Tal processo promove a abertura das cavidades das grafitas à superfície, as quais exercem a função de reservatórios de óleo para a lubrificação das paredes dos cilindros durante o funcionamento do motor. A distribuição dos reservatórios de óleo é, portanto, finamente dispersa ao longo de toda a superfície do cilindro (Figura 2.35).

(a) (SCHMID, 2006) (b) (EMMEL, 2003)

Figura 2.35 – (a) Processo de brunimento fino (fine honing) e (b) após aplicação de laser (UV-Laser).

Esse processo promove ainda uma microfusão da superfície dos cilindros até uma profundidade de 2µm através de laser, que é realizada em presença de nitrogênio, causando uma nitretação na superfície do cilindro, conferindo-lhe uma maior resistência ao desgaste. A camada formada, que pode ser visualizada na Figura 2.36, apresenta matriz martensítica, espessura entre 1 e 2 µm e dureza

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UV-Laser: processo de exposição de grafitas via laser, patente da Empresa AUDI. UV-Laser

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próxima a 400 HV 0,005. (TRECHOW, 2003; EMMEL, 2003). O processo de aplicação de laser não dispensa, entretanto, o processo de brunimento, realizado em três etapas (ANTON et al., 2004). Esse, denominado fine honing20, deve garantir a qualidade do cilindro quanto à forma e uma pré-exposição das grafitas, como indicado na Figura 2.35(a), a fim de garantir o bom resultado após a aplicação do laser (SCHMID, 2006). Camada refundida de maior dureza Matriz Grafita 1µm 1µm 20µm

Figura 2.36 – Formação de camada de maior dureza sobre a superfície do cilindro (EMMEL, 2003).

2.5.4.2 “Helical Slide Honing”21

Outro processo de brunimento aplicável ao ferro fundido vermicular, assim como ao ferro fundido cinzento, é denominado brunimento em deslizamento helicoidal, o qual foi desenvolvido nos últimos anos pela Empresa Nagel. Trata-se de uma variação do brunimento platô e que proporciona uma rugosidade na superfície do cilindro significativamente menor, o que permite uma redução no consumo de óleo lubrificante. Caracteriza-se, ainda, por apresentar um ângulo de cruzamento dos sulcos de brunimento não usual, da ordem de 140 graus (Figura 2.37). Assim como o brunimento platô, o brunimento em deslizamento helicoidal também é

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Fine honing ou brunimento fino, consiste no proceso de brunimento desenvolvido para anteceder a aplicação do UV-Laser. Gera uma superfície com rugosidade muito inferior aos processos de brunimento platô ou similares.

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Helical slide honing, em inglês, ou brunimento em deslizamento helicoidal, também encontrado sob a denominação Spiralgleithonen, em Alemão.

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realizado em três etapas (HAASIS; WEIGMANN, 1999). Uma comparação entre ambos é apresentada Tabela 2.5.

140o

80µm

Figura 2.37 – Exemplo de superfície brunida obtida por processo Helical slide honing (foto da impressão da superfície) (SCHMID, 2006).

Tabela 2.5 – Resultados típicos de rugosidade obtidos no brunimento platô convencional e helical slide honing (SCHMID, 2006).

Parâmetro de rugosidade Brunimento platô convencional Helical slide honing

Rz [µm] 6,05 3,18

Rpk [µm] 0,24 0,07

Rk [µm] 0,88 0,25

Rvk [µm] 1,94 1,58

Testes de motor empregando o brunimento em deslizamento helicoidal têm sido realizados nos últimos anos, e os resultados demonstram significativa redução de consumo de óleo lubrificante, bem como de desgaste da parede do cilindro, em relação ao brunimento platô convencional. Tais resultados têm permitido a aplicação desse processo, cuja principal vantagem em relação aos demais é a menor complexidade técnica e o menor custo, uma vez que não exige etapas adicionais de processamento, ou equipamentos especiais (WEIGMANN, 2005c; SCHMID, 2000b; ROBOTA; ZWEIN, 1999).

2.5.4.3 “Laser Structuring”22

Este processo consiste na modificação da textura de uma superfície brunida através da ação de um feixe de laser, gerando, na superfície, as cavidades

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necessárias para a retenção do óleo lubrificante. Por vezes, é erroneamente confundido com o processo UV-Laser, citado em 2.5.4.1. O método permite gerar diferentes texturas, tais como linhas cruzadas com espaçamento definido, linhas não interligadas, pontos ou outras texturas (GEHRING, 2004b). A Figura 2.38 ilustra esse processo.

(a) (b) (c)

Figura 2.38 – Estruturação da superfície com laser: (a) cabeçote laser, (b) cilindro com a textura gerada pelo laser e (c) detalhe da textura gerada (GEHRING, 2004b).

O processo de usinagem de cilindros de motor com estruturação a laser é composto por 4 etapas, subseqüentes ao mandrilamento de acabamento: brunimento de desbaste, brunimento de semi-acabamento, estruturação a laser e brunimento de acabamento, como mostrado na Figura 2.39.

8 µm 1- 2 µm 40 µm 15 µm 80 µm Rz 2 - 5 µm Rz 7 - 14 µm 1. Brunimento em desbaste 2. Brunimento em semi-acabamento 3. Estruturação a laser 4. Brunimento em acabamento 40 - 80µm Rz 1 - 2µm 5 - 25µm Rz 2 – 5µm Rz 8 – 12µm

Figura 2.39 – Seqüência de etapas para brunimento e estruturação com laser (ABELN; FLORES; KLINK, 2002).

Uma comparação direta entre os processos brunimento em deslizamento helicoidal, estruturação a laser, platô convencional (de elevada rugosidade) e brunimento de dois estágios foi feita por Robota e Zwein (1999). Os resultados demonstraram que as versões de brunimento em deslizamento helicoidal e a estruturação a laser possibilitaram uma redução de até 30% das emissões de particulados totais, em relação ao brunimento de dois estágios e ao platô

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convencional, de elevada rugosidade.

2.5.4.4 Brunimento platô

As possibilidades citadas anteriormente consistem em desenvolvimentos relativamente novos que visam a minimização dos efeitos negativos nas emissões oriundas do consumo de óleo lubrificante, a fim de atender principalmente as novas demandas ambientais. Alguns motores em ferro fundido vermicular atualmente em fabricação seriada seguem o conceito de UV-Laser, citado na subseção 2.5.4.1, enquanto outros utilizam o brunimento platô, porém, com rugosidade relativamente baixa.

Klink e Flores (1999) desenvolveram um processo de brunimento platô para um motor V8 de pequena demanda. Os principais parâmetros de processo empregados encontram-se descritos no Quadro 2.3.

1a estágio 2a estágio 3a estágio

Remoção de material no diâmetro [mm] 0,060 0,030 0,005 Tempo de brunimento por cilindro [s] 50 50 14 Velocidade de corte [m/min] 29 29 29 Abrasivos D181 D91 D30 Dimensões dos segmentos abrasivos 4mm de largura x 70mm comprimento 4mm de largura x 80mm comprimento 4mm de largura x 80mm comprimento Número de segmentos abrasivos 12 6 6 Sistema de

expansão Eletro-mecânico Eletro-mecânico Hidráulico

Vida da ferramenta

(calculada) [cilindros] 10.000 20.000 30.000

Quadro 2.3 – Exemplo de parâmetros de processo para brunimento de acabamento de cilindros em ferro fundido vermicular (KLINK; FLORES, 1999).

Os autores afirmam que os meios tradicionais de brunimento de cilindros em ferro fundido cinzento são perfeitamente aplicáveis ao ferro fundido vermicular, não sendo necessárias alterações no conceito de máquinas ou ferramentas. Citam que em função da maior resistência mecânica do material, observou-se uma tendência a uma menor rugosidade da peça em relação ao ferro fundido cinzento, assim como

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uma menor taxa de remoção de material, o que pode, entretanto, ser compensado com a correta adequação dos meios de corte e parâmetros de processo (KLINK; FLORES, 1999).

2.6 Considerações referentes ao Estado da Arte

Nesta seção do trabalho, foram sintetizadas as informações disponíveis em literatura e que, de alguma forma, pudessem apresentar uma correlação e uma contribuição para o presente trabalho, auxiliando na definição e condução do plano experimental, assim como na análise dos resultados obtidos. Procurou-se sintetizar publicações referentes a ferramentas e segmentos abrasivos de brunir, características da peça e fluidos de corte, além de conhecimentos quanto a características do processo de brunir, tais como forças de corte, mecanismos de desgaste das ferramentas, temperatura da peça e seus efeitos, dentre outros.

Na revisão bibliográfica referente ao processo de brunimento de ferro fundido vermicular, verificou-se que há uma literatura muito escassa e que há muito a ser pesquisado. Os dados publicados são oriundos de experimentos realizados em pequena escala e não revelam o processo em um elevado nível de detalhamento. Atualmente, pode-se afirmar que as informações tecnológicas existentes em relação a esse processo encontram-se em poder de algumas empresas que já realizam o brunimento de motores em ferro fundido vermicular, bem como com as empresas fabricantes de máquinas e ferramentas de brunimento, aquelas que tiveram a oportunidade de participar de projetos envolvendo blocos de motores no referido material. A existência de um reduzido conhecimento na área do brunimento de ferro fundido vermicular, aliado ao fato de que grande parte dessa tecnologia se encontra sob o domínio de poucas empresas, evidencia a necessidade do desenvolvimento de tecnologia nesse campo de conhecimento, que é objeto do presente trabalho.

A usinagem dos cilindros de blocos de motores consiste tradicionalmente em uma seqüência de três operações de mandrilamento, seguida por uma seqüência de três operações de brunimento. Em 2.2.1, foram discutidas as dificuldades existentes para a realização do mandrilamento de cilindros de blocos de motores em ferro fundido vermicular, ainda persistentes. Apesar dos concentrados esforços e desenvolvimentos na área, as características desse material não permitem a

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utilização de ferramentas de mandrilar de alto desempenho, similares às empregadas na usinagem de ferro fundido cinzento. Conceitos alternativos de ferramentas e materiais têm sido empregados com relativo sucesso, porém, com menor produtividade em relação ao que se obtém na usinagem do ferro fundido cinzento. A dificuldade observada no corte contínuo do ferro fundido vermicular com ferramentas de alta velocidade abre a possibilidade para o desenvolvimento de uma aplicação de brunimento de desbaste, com remoção de grande quantidade de sobrematerial, substituindo as operações de mandrilamento de semi-acabamento e acabamento. É nesse contexto que esta pesquisa e tese pretende contribuir, através da geração de conhecimentos no campo de brunimento de cilindros. No campo específico de brunimento de desbaste do ferro fundido vermicular, a literatura indica que estudos preliminares foram feitos com o intuito de substituir o processo de mandrilamento de acabamento. Apesar de apresentar resultados promissores, tais estudos foram iniciados há praticamente 10 anos e até o momento esse processo ainda não possui uma aplicação industrial implementada. A literatura revela que os estudos realizados objetivaram verificar ser possível o brunimento com elevadas taxas de remoção, porém, sem os devidos estudos com maior aprofundamento a fim de conferir ao processo uma competitividade real em relação ao estado atual. Verifica-se que, dentre os desafios a serem superados, tem-se a baixa vida da ferramenta de brunir, elevados valores de rugosidade da peça e o fato de se gerar uma operação de brunimento adicional, substituindo o mandrilamento de acabamento, mas agregando uma operação ao brunimento. As publicações existentes não incluem, ainda, um fator fundamental a ser considerado nessa análise, que constitui a questão de viabilidade econômica da solução proposta, comparada com as soluções atualmente empregadas.

A partir da revisão de literatura aqui exibida e valendo-se dos conhecimentos das empresas e instituições parceiras no presente projeto, com ênfase à Empresa Nagel, foram identificadas as principais lacunas existentes no campo de brunimento de desbaste do ferro fundido vermicular. Foram, então, definidas as etapas experimentais, descritas nas seções a seguir, realizadas com o intuito principal de fornecer os subsídios necessários para a aplicação prática do brunimento de desbaste como alternativa para a redução de etapas de usinagem de cilindros, sendo uma alternativa economicamente vantajosa em relação às soluções atualmente difundidas no meio industrial.

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