Enio da Silva Rodrigues Freitas
PARÂMETROS TOPOGRÁFICOS PARA AVALIAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E CONTROLE TRIBOLÓGICOS DE SUPERFÍCIES DE ENGENHARIA.
Dissertação apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo, como parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Benedito de Moraes Purquerio
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Benedito Moraes Purquerio, orientador do presente trabalho, pela suas valiosas sugestões, paciência, confiança e inestimável colaboração durante a sua realização.
À Tecumseh do Brasil por proporcionar a oportunidade de realizar o programa de mestrado.
Aos amigos da Tecumseh pela imensa ajuda, sem a qual seria impossível a realização deste trabalho.
Aos Drs Sidnei José de Oliveira e Luben Cabezas Gomes pelas valiosas sugestões que enriqueceram o trabalho.
À Escola de Engenharia de São Carlos e seus professores, pelos ensinamentos proporcionados ao longo deste programa de mestrado.
RESUMO
FREITAS, E. S. R. (2006), Parâmetros topográficos para avaliação, caracterização e controle tribológicos de superfícies de engenharia. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.
A caracterização da topografia de superfícies de engenharia é muito importante em aplicações envolvendo atrito, lubrificação e desgaste. Esta prática teve inicio na década de 30 e até os dias atuais vários esforços são desprendidos no sentido de desenvolver novos métodos para avaliação de superfícies. Embora a grande maioria das superfícies seja especificada por parâmetros 2D tais como Ra (Rugosidade média) muitas vezes eles não são suficientes para controlar e caracterizar uma superfície. Novos parâmetros foram desenvolvidos onde engenheiros e processistas de manufatura não são somente capazes de ver as superfícies com muito mais detalhes, mas também são capazes de desenvolver e testar superfícies visando a sua funcionabilidade, ou seja, serem produzidas, controladas e testadas de acordo com a função que irão desempenhar na aplicação. O presente trabalho analisa os parâmetros atuais largamente utilizados pela industria mostrando as suas vantagens e suas limitações. Testes experimentais foram realizados utilizando estes parâmetros na caracterização de superfícies de mancais após a sua fabricação bem como o seu desempenho em teste de vida acelerado. Foram utilizados um perfilômetro mecânico e um perfilômetro óptico para a medição dos parâmetros de superfície. É mostrado que os parâmetros de rugosidade Ra, Rsk, Rk, Sbi, Sci e Svi podem ser usados para caracterizar um processo de fabricação de uma superfície bem como a sua evolução topográfica num teste de vida acelerado.
ABSTRACT
FREITAS, E. S. R. (2006), Topographic parameters for evaluation, characterization and tribological control of engineering surfaces. Dissertation (Master’s Degree) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2004.
The topographic characterization of engineering surfaces is very important in applications involving friction, wear and lubrication. This practice started in the 1930s and until now great efforts have been put to developing new methods for engineering surfaces. Although most of the surfaces are specified using 2D (two dimensions) parameters as Ra (Average roughness), sometimes they are not enough to control and characterize the surface. A new group of parameters were developed which engineering and process designers are not only able to view their surfaces in much greater details, but they are also able to design and test surfaces with an eye toward functionality, i. e., to be produced, controlled and tested according to its application. The present work analyzes the present parameters widely used by the industry showing their advantages and their limitations. Experimental tests were carried out utilizing these parameters in the characterization of bearing surfaces after manufacturing as well its performance in the accelerated life test. Mechanical and optical profilers were used to make the measurements. It is shown that the parameters Ra, Rsk, Rk, Sbi, Sci and Svi can be used to characterize the surface manufacturing process as well its topographic evolution in an accelerated life test.
Key words: Topographic parameters; Engineering surfaces; Bearings
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS...i
LISTA DE TABELAS...v
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SIMBOLOS...vii
RESUMO ABSTRACT 1. INTRODUÇÃO...1
2. FUNÇÕES DE UMA SUPERFÍCIE DE UM MANCAL HIDRODINÂMICO...4
2.1. Tribologia e Regimes de Lubrificação...4
2.1.1. Lubrificação hidrodinâmica...7
2.1.2. Lubrificação limite...8
2.1.3. Lubrificação mista...9
2.1.4. Lubrificação elastohidrodinâmica...10
2.2. Superfícies de Engenharia...11
2.2.1. Funções de uma Superfície de Mancal de um Compressor Hermético.13 2.2.1.1. Capacidade de Suportar Cargas...14
2.2.1.2. Resistência ao Desgaste...16
2.2.1.2.1. Adesão... 17
2.2.1.2.2. Fadiga da superfície deslizante...18
2.2.1.2.3. Reação triboquímica...19
2.2.1.2.4. Abrasão...21
2.2.1.3. Retenção de Lubrificante...22
2.2.1.4. Baixo Atrito...23
2.2.1.5. Redução de Tempo na Fase de Amaciamento...24
3. CONCEITOS, DEFINIÇÕES E METROLOGIA DA SUPERFÍCIE...26
3.1. Conceitos e Definições de uma Superfície...26
3.2. Metrologia de Superfícies...28
3.3. Instrumentos de Medição da Rugosidade de uma Superfície...32
3.3.1. Perfilômetro mecânico (Stylus)...34
3.3.1.1. Tipos de apalpadores...36
3.3.2. Perfilômetros ópticos...38
3.3.2.1. Perfilômetros...39
3.3.2.2. Métodos de espalhamento de luz...41
3.3.3. Sensores de varredura microscópica...41
3.3.3.1. Microscopia de tunelamento, STM (Scanning Tunneling Microscopy)...41
3.3.3.2. Microscopia de força atômica, AFM (Atomic Force Microscopy)...43
4. PARÂMETROS DE RUGOSIDADE...45
4.1. Definições dos Termos Utilizados nos Sistemas de Medição de Rugosidade Superficial...46
4.1.1. Comprimento de amostragem...46
4.1.2. Filtros...48
4.1.3. Comprimento de onda limite (cut-off)...49
4.2. Parâmetros de Rugosidade...50
4.2.1. Parâmetros de amplitude...51
4.2.1.1. Desvio médio aritmético, Ra...52
4.2.1.2. Coeficiente de simetria, Rsk...55
4.2.1.3. Curtose, Rku...56
4.2.2. Parâmetros funcionais em 2D...57
4.2.2.1. Curva Abbott-Firestone...57
4.2.2.2. Parâmetros Rk...59
4.2.3. Parâmetros funcionais em 3D...65
4.2.3.1. Curva da relação da área de apoio da superfície (Surface bearing área ratio Stp)...66
4.2.3.2. Índice de apoio da superfície, Sbi (Surface bearing index)...68
4.2.3.3. Índice do núcleo da superfície, Sci (Surface core index)...68
4.2.3.4. Índice do vale da superfície, Svi (Surface valley index)...69
5. UTILIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE RUGOSIDADE PARA CARACTERIZAÇÃO DE UMA SUPERFICIE QUANTO AO SEU PROCESSO DE FABRICAÇÃO ANTES E APÓS UM TESTE DE VIDA ACELERADO...71
5.1. Metodologia...72
5.1.1. Compressor hermético...72
5.1.3. Experimento 1...75
5.1.4. Experimento 2...77
5.1.5. Bancada de teste de durabilidade...78
5.1.6. Equipamento utilizados na medição das superfícies...81
5.1.7. Peças utilizadas para avaliação da superfície...85
5.1.8. Método de análise...86
5.2. Resultados Obtidos...89
5.2.1. Caracterização do processo de fabricação do par eixo-mancal...89
5.2.2. Caracterização das superfícies antes e após o teste de vida acelerado...96
5.2.2.1. Análise de Variância (ANOVA)...96
5.2.2.1.1. Experimento 1 – Análise da superfície do eixo através dos parâmetros de rugosidade...97
5.2.2.1.2. Experimento 2 – Análise das superfícies do eixo e do mancal através dos parâmetros de rugosidade...101
5.2.2.2. Análise gráfica...102
5.2.2.2.1. Parâmetros funcionais de rugosidade em 3D (Teste contínuo)...102
5.2.2.2.2. Teste de funcionamento contínuo x intermitente (Experimento 1)..104
5.2.2.2.3. Mancal x Eixo (Experimento 2)...108
6. CONCLUSÕES...112
7. BIBLIOGRÁFIA...114
