Processo de mandrilamento de cilindros de blocos de motores em ferro fundido vermicular

Nos testes iniciais de mandrilamento de cilindros em linhas transfer com ferramentas de PCBN, observou-se no mandrilamento de desbaste de ferro fundido vermicular uma redução da vida da ferramenta para cerca de 5% em relação à aplicação em ferro fundido cinzento. No processo de mandrilamento de acabamento, a vida também não foi maior do que 10% da vida do cinzento (OPEL, 1997 apud KOPPKA; ABELE, 2003).

As significativas diferenças de usinabilidade entre os ferros fundidos vermicular e cinzento foram avaliadas por pesquisadores da Universidade de Darmstadt (GASTEL et al., 2000; REUTER et al., 2000). Verificaram que a razão mais provável para a diferença de usinabilidade entre os dois materiais a altas velocidades é a formação da camada protetora de sulfetos de manganês (MnS) sobre a ferramenta, a qual se forma na usinagem de ferro fundido cinzento a elevadas velocidades de corte (REUTER et al., 2000). Segundo essa teoria, a camada de MnS formada em altas velocidades propicia uma significativa redução do coeficiente de atrito e, principalmente, atua como uma barreira para os fenômenos de oxidação e difusão, potencializados em altas temperaturas.

Estudos realizados com ferros fundidos maleáveis também ressaltam a melhora da usinabilidade do material com o aumento de MnS. Para velocidades entre 140 m/min e 250 m/min, aumentos na quantidade de MnS melhoram a quebra de cavacos e diminuem as forças de corte em até 30% (BOEHS, 1979; KÖNIG; KLOCKE, 1997).

O tipo de corte, contínuo ou intermitente, é outro fator de influência significativa nos desgastes por oxidação e difusão. No corte contínuo (torneamento,

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mandrilamento), a ferramenta permanece mais tempo em contato com o material da peça, facilitando esses mecanismos de desgaste. No corte intermitente (fresamento), a difusão e a oxidação são menos intensas (DAWSON et al., 1999).

O estudo realizado por Cohen et al. (2000) auxilia no entendimento do acentuado desgaste das ferramentas de corte contínuo, através do estudo do mecanismo de formação de cavaco no ferro fundido cinzento. Nesse material, pela configuração e geometria das lamelas de grafita, mesmo processos de corte macroscopicamente contínuos correspondem, microscopicamente, a um corte intermitente. Fragmentos de cavaco são arrancados à frente da ferramenta de modo que não há um contato contínuo desse com a face da ferramenta, conforme mostrado esquematicamente na Figura 2.3.

(a)

(b)

(c) (d)

Figura 2.3 – Seqüência esquemática de formação de cavacos em ferros fundidos (COHEN et al., 2000).

As soluções desenvolvidas, ou em desenvolvimento, para o mandrilamento de cilindros em ferro fundido vermicular podem ser classificadas em quatro grupos principais: com insertos múltiplos de metal-duro, com insertos rotativos de PCBN,

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“freso-mandrilamento” e com insertos de PCD.

2.2.1.1 Mandrilamento com insertos múltiplos de metal-duro

As ferramentas de mandrilar com insertos de metal-duro são mostradas na Figura 2.4. Em função das menores velocidades de corte empregadas no metal- duro, em relação à cerâmica ou PCBN, utiliza-se maior número de insertos de metal- duro, permitindo maiores velocidades de avanço e compensando parcialmente a perda de produtividade (REUTER et al., 1999; LEUZE, 2000; SCHEIDTWEILER, 2000; STEIDLE, 2000).

(a) Kennametal – desbaste (b) Mapal – acabamento

Figura 2.4 – Exemplos de ferramentas para mandrilamento de cilindros em ferro fundido vermicular (REUTER et al., 2000).

2.2.1.2 Mandrilamento com insertos rotativos

A ferramenta com insertos rotativos de PCBN ou Si3N4, mostrada na Figura 2.5, permite grande produtividade a altas velocidades de corte, assim como uma maior vida, em relação a ferramentas com insertos fixos de metal-duro. Em razão da geração de calor nos mancais de rotação dos insertos, essa ferramenta necessita de refrigeração com ar comprimido (REUTER et al., 2000; SAHM et al., 2002). Reuter et al. (2000) assinalam que essa ferramenta apresenta maior potencial principalmente para a operação de desbaste, podendo também ser utilizada na operação de acabamento, dependendo de desenvolvimentos adicionais para a aplicação em série para ambos os casos. Não foram encontrados, na literatura recente, relatos de aplicação da referida ferramenta em produção seriada.

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(a) Rotary Technologies – Desbaste (b) Rotary Technologies – Acabamento Figura 2.5 – Ferramentas de mandrilar com insertos rotativos (REUTER et al., 2000).

2.2.1.3 “Freso-mandrilamento”

Tendo em vista as dificuldades na realização de corte contínuo em ferro fundido vermicular, a Empresa Sandvik-Coromant, já em 2000, apresentou uma proposta para a usinagem dos cilindros com corte intermitente, por meio de processo de fresamento helicoidal, realizado com uma ferramenta de diâmetro menor do que o cilindro. A ferramenta, com seis insertos de metal-duro revestidos, foi testada em velocidades de corte entre 150 e 200 m/min e velocidades de avanço entre 1.500 e 3.000mm/min (HELICAL, 2000). Os resultados de erros de forma obtidos mostraram- se pouco satisfatórios, sendo que os valores de circularidade alcançaram a ordem de 100µm, em situações de maiores velocidades de avanço. A vida da ferramenta também se mostrou bastante reduzida, mesmo em se tratando de um corte interrompido. Os testes apontaram uma vida menor ou igual a 250 cilindros.

Em 2006, novos desenvolvimentos do processo de freso-mandrilamento dos cilindros foram divulgados, em um trabalho conjunto da Empresa Sandvik-Coromant com a Empresa Makino (MAQUINO, 2006; WOODRUFF, 2006). Através de melhor precisão de posicionamento dos insertos na ferramenta e tolerâncias dimensionais dos insertos de metal-duro, bem como da estratégia de usinagem e da maior precisão da máquina ferramenta, estudos realizados em corpos-de-prova demonstraram possibilidades de ganhos em vida de ferramenta e possível eliminação da etapa de mandrilamento de semi-acabamento, ou seja, realizando-se o mandrilamento de desbaste de modo convencional e o mandrilamento de acabamento com o processo de freso-mandrilamento (MAQUINO, 2006;

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WOODRUFF, 2006). A ferramenta de “freso-mandrilamento” é ilustrada na Figura 2.6. Esse processo encontra-se atualmente em fase de desenvolvimento. Resultados obtidos até então indicam como vantagem do processo um ganho em tempo de usinagem e em vida da ferramenta, em relação às ferramentas com corte contínuo de metal-duro, e como principal desvantagem tem-se a necessidade de máquinas ferramentas com elevadas rigidez e precisão no movimento de interpolação circular, uma vez que este movimento tem influência direta na geometria do cilindro fresado.

Figura 2.6 – Ferramenta de “freso-mandrilamento” (MAKINO, 2006).

2.2.1.4 Mandrilamento com insertos de PCD

Em desenvolvimentos recentes, foram testadas ferramentas com insertos de PCD, as quais apresentaram altos valores de vida de ferramenta. Kassack (2003) cita estudos efetuados na Empresa Audi, com o objetivo de aplicar ferramentas com insertos de PCD na usinagem em acabamento dos cilindros de blocos de motores em ferro fundido vermicular. A aplicação de ferramentas de metal-duro, nas operações de desbaste, semi-acabamento e acabamento, é detalhada na Tabela 2.1.

A operação de mandrilamento de acabamento, realizada com insertos de metal-duro e os parâmetros da Tabela 2.1, apresenta uma vida de 450 cilindros. Insertos de PCD foram testados na operação de mandrilamento de acabamento, com ap=0,15mm. Utilizando velocidade de corte de aproximadamente 150m/min,

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uma vida da ferramenta de 3.000 cilindros foi obtida (KASSACK, 2003; KASSACK, 2004). As desvantagens principais do uso do PCD consistem na limitação de temperatura de utilização da ferramenta, de até 700 a 800oC, o que limita a velocidade de corte, assim como o maior custo de ferramenta por cilindro produzido.

Tabela 2.1 – Parâmetros de usinagem para mandrilamento de cilindros em ferro fundido vermicular, utilizando ferramentas com insertos múltiplos de metal-duro – Audi (KASSACK; REUTER, 2002)

Etapa vc [m/min] fz [mm] ap [mm] z [gumes]

Desbaste 90 0,20 2 – 3 6

Semi-acabamento 100 0,20 0,35 6

Acabamento 100 0,20 0,15 5

Pretorius et al. (2005), da Empresa Element Six, analisaram ferramentas de PCD no processo de corte contínuo de torneamento de ferro fundido vermicular, e as compararam com diferentes tipos de cerâmica, como também alguns tipos de PCBN, Cermet e Metal-duro. Nesse estudo, as ferramentas de PCD foram as que mostraram melhores resultados de vida, estimada em mais de 4.000 cilindros, à velocidade de corte de 200m/min. Ferramentas de diamante também foram empregadas por Abele e Schramm (2005) em processo de torneamento de ferro fundido nodular, apresentando resultado superior ao PCBN.

Atualmente, as soluções de mandrilamento de desbaste e de semi- acabamento encontram-se com aplicação validada na fabricação em série e consistem basicamente no conceito de ferramentas com múltiplos insertos de metal- duro. Para a operação de mandrilamento de acabamento, tem-se a possibilidade de escolha entre insertos de metal-duro ou insertos de PCD (REUTER, 2005). Tal escolha é realizada com base na necessidade de cada empresa, tendo em vista o compromisso entre o tempo de ciclo desejado e o custo da operação.

Independentemente do material da ferramenta empregado, metal-duro ou PCD, as velocidades de corte da operação ainda são muito inferiores àquelas tradicionalmente utilizadas no ferro fundido cinzento, ou seja, ainda há uma grande necessidade de desenvolvimento do processo de usinagem dos cilindros de maneira integral (KASSACK, 2000). Tal demanda é comprovada por publicações recentes de trabalhos em desenvolvimento na busca de alternativas para o mandrilamento dos cilindros de blocos de motores em vermicular (XAVIER, 2003, MAKINO, 2006). Sahm (2002) diz que, com o desenvolvimento de novos conceitos de ferramentas de

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mandrilamento e de estratégias de usinagem, a operação de mandrilamento de