ANÁLISE DA TEXTURA E INTEGRIDADE DAS SUPERFÍCIES DE CAMISAS
PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
Lourival Boehs, Prof. Dr. Eng. – GRUCON - Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Trindade, Florianópolis/SC Brasil, Caixa Postal 476 – EMC – 88010-970. Fone: 0 XX 48 331 9387 R 201 Fax: 0 XX 48 234 1519, lb@grucon.ufsc.br.
Daniel Del Valle Campos, Engº - Universidade Federal de Santa Catarina - campos@lmp.ufsc.br
Fábio Antônio Xavier, Engº - Universidade Federal de Santa Catarina - xavierfa@emc.ufsc.br
Marco Aurélio De Bortolo, Engº - Technische Universität Braunschweig – marcoa@lmp.ufsc.br
Mauro A. M. Gonçalves, Engº - Universidade Federal de Santa Catarina - mauro.amg@uol.com.br
Resumo: Em cilindros de blocos de motores, a qualidade da textura e a integridade de suas superfícies
são de fundamental importância para garantir maior resistência e confiabilidade durante o funcionamento. Este tipo de superfície possui exigências específicas, como resistir ao atrito e elevadas temperaturas, suportar carga e armazenar lubrificante. Para tal aplicação, a superfície é conhecida com: platafórmica e é gerada pelo processo de brunimento de curso longo. Este trabalho analisa a textura e a integridade gerada pelo mandrilamento e pelo brunimento e também se a camada da superfície afetada pelo mandrilamento é totalmente removida pelo brunimento. Por último, procura caracterizar a diferença entre as texturas dos cilindros brunidos pela mesma máquina, porém, utilizando duas ferramentas distintas. As amostras foram obtidas de um mesmo bloco e analisadas com o auxílio de rugosímetro, microscópio ótico e microscópio eletrônico de varredura. Os resultados alcançados mostram que os parâmetros de controle são atendidos. A superfície afetada pelo processo de mandrilamento é praticamente toda removida pelo processo brunimento. Observou-se ainda que controlar somente os parâmetros da textura nem sempre é suficiente para assegurar a qualidade e funcionalidade da peça visto que foram encontrados defeitos como: rebarbas, encruamento, arrancamento de grafitas, entre outros.
Palavras-chave: brunimento; superfície platafórmica; textura; integridade;
1. INTRODUÇÃO
O desempenho obtido em motores de combustão interna está muito relacionado à qualidade da superfície do cilindro. Para conseguir essa qualidade, utiliza-se na indústria o processo de brunimento, que gera uma superfície com características de resistir ao atrito, suportar carga, armazenar lubrificante, entre outras, tais como superfície platafórmica.
O desenvolvimento de máquinas e ferramentas, juntamente com equipamentos de controle, tem propiciado uma melhor garantia na qualidade da textura e integridade dessas superfícies, o que vem fazendo com que os motores alcancem maior tempo de vida e reduzam seu tempo de amaciamento.
Entretanto, apesar deste desenvolvimento tecnológico, a obtenção dessas superfícies ainda apresenta um grande desafio para a engenharia de fabricação.
2. OBJETIVOS
Este trabalho objetiva investigar as seguintes questões: o tipo de superfície gerada pelo processo de brunimento de curso longo; a remoção da camada afetada e gerada anteriormente pelo processo de mandrilamento; a eventual existência de uma diferença na textura das paredes dos cilindros, ao serem usinados por duas ferramentas distintas no mesmo bloco de motor; e a presença de defeitos residuais nas superfícies brunidas.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
De forma incorreta, normalmente acredita-se que a superfície de um cilindro deva ser extremamente “lisa”, para que o pistão possa se movimentar com facilidade. Na verdade, esta deve ser do tipo platafórmica, para que possa suportar a contra-superfície e dispor de micro vales que proporcionam o armazenamento de fluido lubrificante, necessário para promover a lubrificação do sistema durante o funcionamento do motor.
O desempenho do motor está associado, em grande parte, à característica tribológica da superfície, o que implica a caracterização da sua textura e integridade, correlacionando-a com a função que irá executar e com o processo que a gerou (Boehs).
3.1. Textura da superfície
A textura da superfície é utilizada para monitorar os processos de fabricação, assim como estudar e prever o desempenho de diferentes componentes de máquinas. Para determinar os desvios da textura, utiliza-se a sua microgeometria (Bet, 1999 e DIN 4775, 1982).
A rugosidade e a ondulação são critérios aplicados para o controle e qualificação da textura de superfícies usinadas. É conhecido que muitas das propriedades funcionais das superfícies estão ligadas à sua microgeometria, e que esta influencia diretamente sobre o desempenho dos componentes em serviço. Para assegurar este desempenho, deverão ser analisados o seu material e o processo de usinagem, bem como controlada a qualidade da superfície gerada. (Bet, 1999; Mesquita, 1992)
Para caracterizar a textura, é necessário medir os desvios que a superfície da peça possui (whitehouse, 1994). Uma peça pode estar dentro das tolerâncias dimensionais, mas não cumprir com as características funcionais da superfície, causando desempenho inferior do componente ou até mesmo da máquina. Portanto, para garantir o desempenho desse componente, é preciso que o mesmo cumpra com a forma geométrica, com a textura e a integridade da superfície (Bet, 1999).
Desta forma, a metrologia de superfície deve ser implantada tanto no processo produtivo quanto na definição de características geométricas para o cumprimento das funções tecnológicas, como mostra a Figura 1.
Para caracterizar uma superfície platafórmica, deve-se controlar os seguintes parâmetros da curva de Abbot-Firestone no processo de medição: Rk, Rpk, Rvk, Mr1 e Mr2.
Rk, Profundidade da rugosidade central, é a profundidade da rugosidade com exceção dos picos e
dos vales. É a altura da região de rugosidade central (II).
Rpk, Altura reduzida dos picos, caracteriza a porção do perfil que está acima da região de
rugosidade central. É a altura da região de picos.
Rvk, Profundidade reduzida de vales.Rvk caracteriza a porção do perfil que está abaixo da região de
Figura 1 – Relação entre metrologia de superfície, fabricação e função da superfície de um componente segundo (Bet, 1999).
Mr1 é o percentual de material correspondente à intersecção entre a linha superior da região de
rugosidade central e a curva de Abbot. Corresponde, portanto, ao menor percentual de suporte da região central.
Mr2 é o percentual de material correspondente à intersecção entre a linha inferior da região de
rugosidade central e a curva de Abbot. Corresponde, portanto, ao maior percentual de suporte da região central. (Bet, 1999).
Figura 3. Caracterização da Curva de Abbot-Firestone (Bet, 1999). 3.2. Integridade da superfície
O estudo da integridade das superfícies dos corpos técnicos propicia um maior entendimento do relacionamento das questões metalúrgicas, usinagem e propriedades mecânicas. Está focado nas camadas logo abaixo da superfície limite externa e procura identificar possíveis alterações resultantes dos efeitos térmicos, mecânicos e químicos provenientes dos processos de fabricação. (Bet, 1999; Lucca, 1998). A Figura 4 ilustra as diferentes camadas das superfícies,segundo Degner e Schmaltz.
A análise da integridade é indispensável em superfícies usinadas que são altamente tensionadas, e ou criticamente carregadas, principalmente com cargas dinâmicas, em que onde uma falha representa elevado risco para vidas humanas ou prejuízos financeiros. Sua aplicação beneficia a segurança, o tempo do aumento de vida em serviço dos componentes e um melhor controle e entendimento dos efeitos resultantes dos processos de fabricação (Lucca, 1998).
Na indústria automobilística, é indispensável o seu uso para verificar possíveis danos em componentes como: pontas de eixo, virabrequins, blocos de motores, dentre outros.
3.3. Obtenção de superfícies platafórmicas
O processo de usinagem utilizado para a obtenção da superfície platafórmica é o brunimento. Este é classificado como um processo de usinagem de geometria não definida, no qual a remoção é realizada
por grãos de materiais duros, mais ou menos disformes e que são postos em interferência com a superfície do material da peça (König, 1989).
Figura 4. Integridade segundo Degner e Schmaltz (Boehs).
O brunimento de curso longo é um processo rápido e preciso, que utiliza ferramentas cilíndricas para usinar furos. Este processo é utilizado na usinagem de camisas de cilindros, tambores e cilindros de freio, cilindros e válvulas hidráulicas (Schimidt, 1999).
Os movimentos principais deste processo são: rotação, avanço oscilante e expansão da ferramenta, que ocorrem simultaneamente. As vantagens deste processo são: o baixo tempo de fabricação, a alta taxa de remoção e a possibilidade de correção de erros de forma e de medida no componente.
3.3.1 – Características da superfície platafórmica
A superfície em questão apresenta algumas características essenciais como (Mesquita, 1992): Precisão de forma: importante para assegurar o acoplamento e funcionamento.
Capacidade de deslizar: exige um valor de atrito baixo e redução da penetração mútua das superfícies(irregularidades).
Amortecimento do desgaste inicial: no início dos movimentos, os dois corpos se tocam em conseqüência de suas micro-irregularidades nas superfícies, fazendo com que ambos se adaptem um ao outro e entre eles apareça uma dependência de solicitações. A textura que se forma permanece estável ao longo de determinado tempo.
Capacidade de suportar carga: a superfície não deve sofrer deformação plástica quando em repouso e não apresentar micro-quebras durante seu funcionamento.
Capacidade de reter o lubrificante: a superfície deve apresentar um grande percentual de micro-ranhuras para a recepção e o armazenamento do lubrificante, porém, sem comprometer a capacidade de suportar carga.
Dissipação de calor e temperatura de contato: é a capacidade da superfície em dissipar o calor gerado pelo atrito e pela deformação dos materiais. Este calor pode levar ao amolecimento e à fusão localizada dos materiais em contato.
Com base nesta descrição e analisando as solicitações a que estão submetidos os cilindros de motores de combustão interna, pode-se afirmar que estes exigem superfícies platafórmicas para desempenhar adequadamente suas funções.
4. METODOLOGIA
4.1. Caracterização do material
Nesta pesquisa, foram analisados 4 cilindros de um mesmo bloco de motor de combustão interna, fabricado em ferro fundido cinzento, submetidos às mesmas operações de usinagem, mandrilamento e brunimento. A composição química do material deste bloco é exibida na Tabela 1 a seguir.
Tabela 1. Composição química típica desse bloco de motor. Tipo do material C Carbono Si Silício Mn Manganês P Fósforo S Enxofre FoFo Cinzento 3,44 1,89 0,50 0 0,07
Esta composição química, associada a outros fatores como tempo do resfriamento, espessura da parede do bloco, tipo e espessura do molde, influenciam diretamente na formação, forma, distribuição e tamanho dos veios de grafita, proporcionando a seguinte característica microestrutural do material, Figura 5.
Figura 5. Micrografia característica do ferro fundido cinzento usinado. 4.3. Descrição dos processos de usinagem
Após o processo de fundição, estes blocos são submetidos aos seguintes processos de usinagem: rebarbação, jateamento, fresamento, furação, mandrilamento e brunimento. Estes processos têm como objetivo alcançar as especificações geométricas, dimensionais e a qualidade da superfície especificada. Dentro do enfoque proposto neste trabalho, a descrição dos processos será restrita aos dois últimos processos de usinagem a que são submetidos os cilindros dos blocos, mandrilamento e brunimento.
O mandrilamento tem como finalidade objetivo conferir ao cilindro uma maior precisão dimensional e geométrica, sendo uma etapa preparatória para o brunimento. Ele é realizado em um Centro de Usinagem Horizontal, utilizando uma barra de mandrilar com diâmetro nominal de 104 mm, que possui 3 insertos de CBN e trabalha com velocidade de corte na ordem de 900 m/min.
Para o Brunimento, utiliza-se uma máquina específica e uma ferramenta com insertos de desbaste e acabamento, trabalhando com velocidade de corte na ordem de 40 m/min.
Por razões éticas, foi omitido um completo detalhamento das condições de usinagem e ferramentas utilizadas.
4.4. Descrição dos equipamentos utilizados na análise da qualidade da superfície.
Para analisar a textura das superfícies dos cilindros, foi utilizado um rugosímetro marca PERTHEN, modelo Perthometer S8P, com apalpador com ponta de diamante e raio de 5 µm. A
aquisição dos dados foi realizada pelo software Profile View, de posse do Laboratório de Análises de Superfícies - LASUS da UFSC.
Por sua vez, para investigar a integridade destas mesmas superfícies, utilizou-se o microscópio eletrônico de varredura (MEV) XL 30 Series, marca PHILIPS, e o microscópio ótico BX60M, marca Olympus. A preparação das amostras para as análises microscópicas foi feita equipamento limpeza ultrasônica, marca Branson, modelo 1210.
Dentro da ótica proposta neste trabalho, a seguir serão apresentados e discutidos os resultados obtidos na pesquisa.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1. Mandrilamento e remoção da camada afetada
A análise do cilindro mandrilado proporcionou a visualização da textura característica e a integridade de sua superfície. A Figura 6.a mostra a textura obtida por este processo de usinagem, onde podem ser observadas as marcas (ranhuras) resultantes da geometria da ferramenta e da cinemática do processo de usinagem.
Aplicando uma maior ampliação microscópica, Figura 6.b, constata-se a presença de arrancamentos de grafita, a presença de micro-rebarbas e micro-deformações plásticas localizadas. Além da influência da ferramenta e da cinemática do processo, a extensão destes defeitos também pode ser ocasionada pela forma da grafita e presença de poros na superfície onde ocorre a usinagem.
(a) (b)
Figura 6.- (a) Impressões deixadas pela ferramenta do processo de mandrilamento com aumento de 25x; (b) Impressões deixadas pela ferramenta do processo de mandrilamento com aumento de 100x.
Tais defeitos podem comprometer o funcionamento dos componentes em contato, pistão-cilindro, bem como, acelerar o desgaste destes.
Na Figura 7.a, pode-se verificar um corte transversal efetuado sobre a superfície mandrilada, vista na Figura 6. A referida Figura 7.a possibilita visualizar os microdefeitos de textura e a presença de uma leve deformação plástica logo abaixo da camada limite externa. Por outro lado, a Figura 7b mostra que o processo de brunimento elimina, em grande parte, os defeitos da textura e a deformação plástica causados pelo processo de mandrilamento. Na escala em questão, a Figura nos induz a concluir que a superfície é “quase perfeita”, o que, no entanto, não é verdade se a observarmos com um aumento microscópico ainda maior. Isto denota a importância do brunimento como processo de acabamento final dos cilindros e a investigação com capacidade de resolução.
a) Mandrilado ampliado 100X b) Brunido ampliado 100X Figura 7. - Corte transversal com aumento de 100X
5.2. Brunimento - comparação dos resultados utilizando ferramentas distintas
Ao analisar a textura das superfícies brunidas, utilizando-se os parâmetros da curva de Abbot-Firestone foi possível comprovar que estas são platafórmicas, conforme esperado. Também foi constatado que os parâmetros verticais de rugosidade (Ra, Ry e Rz) são menores no brunimento do que no mandrilamento, fato este dentro da lógica conhecida. Tais resultados podem ser vistos na Figura 8.
mandrilado cilindro 1 cilindro 2 cilindro 3 cilindro 4 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Rugosidade em microns Ra Rz Ry
Figura 8. Parâmetros verticais de caracterização de textura.
No total, foram analisadas 5 amostras de cilindros, sendo 4 brunidas e 1 mandrilada. Na medição dos parâmetros de rugosidade, foram realizadas 4 repetições por amostra, perfazendo um total de 20 medições.
Ao realizar um tratamento estatístico sobre os resultados das medições, percebeu-se que não existe diferença significativa entre os cilindros brunidos, com ferramentas distintas. Nas medições realizadas para a obtenção dos referidos parâmetros de rugosidade, foram observados e retirados pontos espúrios, isto é, os que apresentavam resultado muito distinto em comparação aos demais. Tais pontos podem estar associados a imperfeições localizadas, conforme já salientado na Figura 7, e que mascaram os resultados em relação à parte predominante da superfície.
Os resultados também mostraram que os parâmetros utilizados para a caracterização da superfície platafórmica, Rpk, Rk, Rvk, Mr1 e Mr2, estão dentro das especificações determinadas pelo cliente consumidor destes blocos de motores. Tais resultados encontram-se nas Figuras 9 e 10.
Na Figura 10, os dois grupos de linhas tracejadas representam os valores dos limites superior e inferior para a caracterização das superfícies platafórmicas em questão.
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50
cilindro 1 cilindro 2 cilindro 3 cilindro 4
Rpk Rk Rvk
Figura 9. Comparação dos valores médios de Rpk, Rk e Rvk.
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1 2 3 4 Valor em % Mr1 Cilindro1 Mr2 Cilindro2 Mr1 Cilindro2 Mr1 Cilindro3 Mr1 Cilindro4 Mr2 Cilindro1 Mr2 Cilindro3 Mr2 Cilindro 4 Lim. Inferior Mr1 Lim. Superior Mr1 Lim. Superior Mr2 Lim. Inferior Mr2
Figura 10. Comparação dos valores de Mr1 e Mr2.
Para os parâmetros anteriormente descritos, também foi realizado um tratamento estatístico dos dados, utilizando a Análise da Variância, não se observando diferenças significativas entre os cilindros brunidos com ferramentas distintas.
5.3 Defeitos gerados pelo brunimento
Embora os dos parâmetros de rugosidade e da curva de Abbot-Firestone estejam dentro dos valores requeridos pelo cliente, as superfícies dos cilindros estudados neste trabalho apresentam defeitos de fabricação que impedem a sua utilização prática.
Tais defeitos são: rebarbas, canais de lubrificação obstruídos, crateras causadas pelo excessivo arrancamento de grafitas, trincas, fissuras e deformações plásticas localizadas e que só podem ser detectados através de análises mais criteriosas e profundas, como, por exemplo, com a utilização de microscopia eletrônica de varredura. A Figura 11 ilustra alguns destes defeitos.
É importante salientar a necessidade de um rigoroso controle de qualidade para evitar que um bloco de motor com estes defeitos seja colocado no mercado. Esses defeitos, quando presentes em superfícies
que são submetidas às elevadas pressões, temperaturas e cargas cíclicas, facilitam a falha precoce do componente em serviço.
Figura 11.3a – Direção do brunimento Figura 11.3b – Dobramento e arrancamento de grafita
11.3c – Dobramento da rebarba de cavaco oriunda do brunimento
Figura 11.3d – Obstrução do canal lubrificante.
Figura 11. Defeitos na superfície após o brunimento.
6. CONCLUSÕES
Este trabalho mostrou o quanto é importante analisar a superfície de forma integrada, isto é, considerar a sua textura e integridade. Possibilitou verificar que o fato de a superfície atender aos parâmetros da curva de Abbot-Firestone, especificados pela engenharia de projetos para as superfícies platafórmicas, não é o suficiente para assegurar o seu sucesso quando em serviço.
Além disto, observou-se que o brunimento é um processo significativo para reduzir os inconvenientes causados à superfície pelos processos precedentes, como o mandrilamento. Porém, este por si só não é sinônimo de uma superfície perfeita, tendo em vista o complexo relacionamento entre os processos de usinagem e as superfícies resultantes. É importante que a superfície resultante seja criteriosamente investigada sob o ponto de vista dos requisitos exigidos par a sua aplicação e o seu desempenho em serviço.
Na aplicação em questão, a utilização de duas ferramentas de brunimento distintas num mesmo bloco de motor não causou a rejeição das respectivas superfícies resultantes, pois os parâmetros de textura proporcionados por ambas encontram-se na faixa de valores especificados pela engenharia de projetos.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Bet, L. “Estudo da Medição da Textura de Superfícies com Sondas Mecânicas e com Sondas Ópticas tipo Seguidor”. Florianópolis, 1999. 241 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina.
Boehs, L. Ensaios não destrutivos. Material Utilizado na Disciplina: Análise das Superfícies Usinadas – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina.
König, W., 1989, “Fertigungsverfaren – band 4: Schleifen, Honen und Läpen. Auflage”. VDI – Verlag, Düsseldorf, 1989.
Lucca, D. A.; Brinksmeier, E.; Goch, G., 1998, “Progress in Assessing Surface and Subsurface Integrity”. In: CIRP. Annals of CIRP 1998. vol. 2 p 669-687.
Mesquita, N. G.de M. “Avaliação e Escolha de uma Superfície Segundo sua Função e Fabricação”. Florianópolis, 1992. 141 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina.
Norma DIN, 1982. “Measuring the surface roughness of workpieces – Visual and tactile comparasion, methods by means of contact styllus instruments. DIN 4775. Berlin: Beut, June 1982.
Schimidt, M. A. “Brunimento em Ferro Fundido Cinzento Utilizando Ferramentas Tipo Bucha com Grãos de Diamante”. Florianópolis, 1999. 237 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina.
Whitehouse, D. J. 1994, “Handbook of Surface Metrology. 1. ed. London: IOP Publishing, 1994.
SURFACE INTEGRITY AND TEXTURE ANALYSIS OF INTERNAL
COMBUSTION ENGINES CILINDROS
Lourival Boehs, Prof. Dr. Eng. – GRUCON - Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Trindade, Florianópolis/SC Brasil, Caixa Postal 476 – EMC – 88010-970. Fone: 0 XX 48 331 9387 R 201 Fax: 0 XX 48 234 1519, lb@grucon.ufsc.br.
Daniel Del Valle Campos, Engº - Universidade Federal de Santa Catarina - campos@lmp.ufsc.br
Fábio Antônio Xavier, Engº - Universidade Federal de Santa Catarina - xavierfa@emc.ufsc.br
Marco Aurélio De Bortolo, Engº - Technische Universität Braunschweig – marcoa@lmp.ufsc.br
Mauro A. M. Gonçalves, Engº - Universidade Federal de Santa Catarina - mauro.amg@uol.com.br
Abstract: In engines’ cylinder, texture quality and surface integrity are very important to assure higher
resistance end reliability during usage. This type of surface demands specific needs, like attrite resistance, weight support and lubricant retaining. The surface used for such applications is known as plataformic surface, and a process of long course honing generates it. This paper analyses surface integrity and texture created during boring and honing processes. It also analyses if the surface layer affected by boring is totally removed by honing. The samples were obtained from a same engine and analyzed with a rugosimeter, an optical microscope, and for grater focal deepness a Scanning Electron Microscopy. The results show that the control parameters are attended. The surface layer affected by the process of boring is almost 100% removed by the process of honing. It was also noticed that, controlling just the texture parameters is not always enough to assure the quality and reliability of the tools, knowing that were found some mistakes like: craks, plastic deformation, pits, laps end carters. Keywords: honing, surface roughness; surface integrity, plataformic surface.
