Marco Thúlio Teixeira Freitas
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA EXERCIDA PELO ESTÁGIO DE VIDA DE UMA FERRAMENTA PRECIDOR SOBRE OS ES-FORÇOS DE USINAGEM E QUALIDADE DE FUROS EM
FER-RO FUNDIDO
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em En-genharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para a ob-tenção do Grau de Mestre em Enge-nharia Mecânica.
Orientador:
Prof. Fabio Antonio Xavier, Dr. Eng. Coorientador(es):
Prof. Walter Lindolfo Weingaertner, Dr.-Ing.
Adriano Boaron, Dr. Eng.
Florianópolis 2018
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,
através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Freitas, Marco Thúlio Teixeira
Avaliação da influência exercida pelo estágio de vida de uma ferramenta precidor sobre os esforços de usinagem e qualidade de furos em ferro fundido /
Marco Thúlio Teixeira Freitas ; orientador, Fabio Antonio Xavier, coorientador, Walter Lindolfo Weingaertner, coorientador, Adriano Boaron, 2018.
161 p.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.
Inclui referências.
1. Engenharia Mecânica. 2. Engenharia Mecânica. 3. Usinagem. 4. Ferramenta Precidor. 5. Força de corte.
I. Xavier, Fabio Antonio. II. Weingaertner, Walter Lindolfo. III. Boaron, Adriano IV. Universidade Fede-ral de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. V. Título.
Marco Thúlio Teixeira Freitas
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA EXERCIDA PELO ESTÁGIO DE VIDA DE UMA FERRAMENTA PRECIDOR SOBRE OS ES-FORÇOS DE USINAGEM E QUALIDADE DE FUROS EM
FER-RO FUNDIDO
Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de “Mestre em Engenharia Mecânica”, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
Florianópolis, 10 de Agosto de 2018.
_________________________________ Prof. Dr. Eng. Jonny Carlos da Silva.
Coordenador do Curso
Banca Examinadora:
_________________________________________ Prof. Dr. Eng. Fabio Antonio Xavier – Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
_______________________________________________ Prof. Dr.-Ing Walter Lindolfo Weingaertner – Coorientador
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
______________________________________ Dr. Eng. Adriano Boaron – Coorientador Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
Tupy S. A.
_______________________________________ Prof. Dr. Eng. Rolf Bertrand Schroeter. Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por abençoar todos os meus dias de vida.
Aos meus pais Antonio Donizeti de Freitas e Maria de Fatima Aparecida Teixeira Freitas pela educação, honestidade, moral e caráter que me foi dado e pelo incentivo para realizar um trabalho de mestrado.
Aos meus dois irmãos Rafaela Teixeira Freitas e Pedro Paulo Teixeira Freitas pelo carinho que sempre tiveram comigo e pelo suporte dado durante todo o meu período estudantil.
À minha namorada Marina Arantes pela compreensão, carinho, suporte emocional e forças que me deu durante este período de realiza-ção do mestrado.
Aos meus amigos e colegas de laboratório, especialmente os in-tegrantes do GRÂO que fizeram esta caminhada ser mais suave, através de nossas conversas sobre o tema e momentos de descontração.
Aos amigos Lucas Marra, Fernando Bordin, Ricardo Knoblauch e Jordan Bressan pela amizade e companheirismo.
A equipe de engenheiros e técnicos da empresa parceira pelo total envolvimento durante a execução deste trabalho.
Ao meu orientador Fabio Antonio Xavier e Coorientador Walter Lindolfo Weingaertner pelo suporte e companhia durante a execução dos ensaios em Joinville.
A Fundação CERTI pela execução de procedimentos de medição sem custos associados para o projeto.
A Universidade Federal de Santa Catarina e ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica pela oportunidade de extrapolar meus conhecimentos teóricos e técnicos.
A CAPES pelo financiamento de bolsa de mestrado pelo período de, apenas, 1 ano.
RESUMO
Componentes mecânicos de unidades de compressão para fins de refrigeração doméstica devem satisfazer requisitos de projeto que de-mandam tolerâncias de ordem micrométrica. As estreitas tolerâncias destes componentes lhes garantem longevidade, assim como conferem confiabilidade e segurança para o produto final. Dentre os componentes mais importantes de unidades de compressão hermética a pistão para fins de refrigeração destaca-se o bloco ou chassi. Este componente é responsável por suportar os carregamentos periódicos induzidos pelo ciclo de refrigeração, além de desempenhar função estrutural. Os man-cais de deslizamento destes componentes apresentam alta precisão di-mensional aliada a estreitas tolerâncias de forma e uma textura com características específicas, a qual garante sua lubrificação durante o funcionamento. Estas características são atingidas através de uma cadeia de produção que inclui o brunimento de curso longo e passe único em estágio final de acabamento. O uso de ferramentas precidor neste tipo de brunimento, confere economia ao processo devido à sua longa vida. Desta forma, é imprescindível o conhecimento da influência do desgaste da ferramenta sobre a precisão de forma e textura de mancais de blocos produzidos por meio deste processo. Através de ensaios de medições de esforços de brunimento com cinemática de passe único, este trabalho procura determinar estas influências do desgaste e os principais fenôme-nos envolvidos na obtenção dos requisitos de dimensão, forma e textura em mancais de compressores herméticos a pistão. Como resultado desta pesquisa, mostrou-se que os esforços durante o processo de brunimento apresentaram grande variabilidade utilizando-se uma ferramenta nova e condicionada comparada a uma ferramenta desgastada durante o proces-so de brunimento. Um comportamento aleatório nos desvios de forma e rugosidade dos mancais brunidos com ferramenta nova foi observado. A magnitude dos desvios de cilindricidade do mancal brunido com uma ferramenta desgastada foi maior que aquela obtida no mancal brunido com ferramenta nova. Assim, uma ferramenta de brunimento desgastada apresenta perda de capacidade para a redução de desvios de forma. Quanto à textura do furo brunido, dos parâmetros de rugosidade avalia-dos aquele que melhor indica o estado de desgaste da ferramenta é a profundidade reduzida dos vales, Rvk.
Palavras-chave: Mancais de deslizamento, Brunimento, Desgaste, Des-vios de forma, Textura.
ABSTRACT
Mechanical components for compression units to domestic re-frigeration shall fulfill project requirements that demand micrometric tolerance order. The narrow tolerances of these parts ensure great life-time as well as reliability and safety to final product. One of the most important components from refrigeration hermetic compression units is the frame. This part is responsible to support periodic loads induced by cooling cycle and moreover to perform structural function. Sliding bear-ing of the frames require high dimensional accuracy combined with narrow form tolerances and specific texture which ensure a lubrication capacity to the part. These characteristics are guaranteed by production chains, which include the single pass long stroke honing on finishing stages. On these honing processes the use of precidor tools provides saving to the production due its long life compared with conventional abrasive tools. In order to use these tools knowledge about tool wear influences over the sliding bearing precision, form and roughness after the honing process is necessary. Through force measurement honing tests, with single pass kinematics, this work aims to understand this wear influence, and the main phenomena involved to reach the dimen-sional, form and texture requirements on sliding bearings from piston hermetic compressors frames. The research results showed that cutting forces presented themselves with high variability values when using in honing process a new and conditioned tool compared with a worn tool. It was observed that the form and roughness deviations values obtained by honing the sliding bearings with new tool were quite random. The bearing cylindricity deviation magnitude honed with a worn tool was bigger than the deviation attained with a new tool. Thus, this random behavior reveals that worn tool wasn’t able to reduce form deviations. Regarding texture of the honed bore; the roughness parameter that better indicates the tool worn state is the reduced valley depth, Rvk.
Keywords: Sliding bearing, Honing, Wear, Form deviations, Surface topography.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM American Society for Testing and Materi-als
cBN Cubic Boron Nitride
CERTI Centros de Tecnologias Inovadoras
CFC Cúbico de Face Centrada
CNC Computer Numeric Control
CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
CRO Circular Run-out
DAD Dispositivo para Aquisição de Dados
DIN Deutsches Institut für Normung
ECH Electro Chemical Honing
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva EMBRACO Empresa Brasileira de Compressores
EUA Estados Unidos da América
FEPA Federation of the European Producers of Abrasives
FoFo Ferro Fundido
IC Intervalo de Confiança
Indl. Industrial
ISO International Organization for Standardi-zation
LABMAT Laboratório de Materiais
LMD Laboratório de Metrologia Dimensional LMP Laboratório de Mecânica de Precisão MEV Microscopia Eletrônica de Varredura
MLR Meio Lubrirrefrigerante
MMC Máquina de Medições por Coordenada UFSC Universidade Federal de Santa Catarina
LISTA DE SÍMBOLOS Alfabeto latino:
An [mm2] Área de contato nominal da pastilha de brunimento
Cstat [grãos/mm2] Concentração estática de grãos CYLt [m] Cilindricidade de pico a vale CYLt0 [m] Cilindricidade de pico a vale inicial D [m] Diâmetro médio de grãos de diamante
Fa [N] Força axial
Faamp [N] Amplitude do sinal de força axial
Fc [N] Força de corte
Fn [N] Força normal
Fr [N] Resultante de Fa, Ft e Fn
Ft [N] Força tangencial
Fx [N] Componente da força de corte na direção x do dinamômetro
Fy [N] Componente da força de corte na direção y do dinamômetro
Fz [N] Componente da força de corte na direção z do dinamômetro
G [-] Gumes
Ls,kin [m] Distância entre gumes cinemáticos Ls,stat [m] Distância entre gumes estáticos
M [Nm] Momento
MS Média quadrática
Mz [Nm] Momento em relação ao eixo z do dina-mômetro
Pn [Pa] Pressão normal
[mm3/s] Taxa de remoção de material
R [N] Resultante de Fx e Fy
RONt [m] Circularidade de pico a vale RONt0 [m] Circularidade de pico a vale inicial Ra [m] Rugosidade aritmética média do perfil Rq m] Rugosidade quadrática média do perfil Rz [m] Rugosidade de pico a vale no intervalo
de amostragem
Rpk [m] Altura reduzida dos picos
S [-] Desvio padrão da amostra
So [m] Sobrematerial
Spk [m] Altura reduzida dos picos
SS [-] Soma dos quadrados
Ssc [m] Curvatura média dos picos
va [mm/min] Velocidade axial
vc [m/min] Velocidade de corte
vt [m/min] Velocidade tangencial Vg [grãos/mm3] Densidade de grãos
YF [N] Média dos pontos do planejamento fato-rial sem o ponto central
YC [N] Média dos pontos centrais
c [-] Central
dg [m] Diâmetro médio do grão
fa [Hz] Taxa de aquisição de dados
fn [Hz] Frequência natural
hcueff [mm] Penetração efetiva de corte
ln [mm] Comprimento de avaliação
lS [mm] Sobrecurso
lh [mm] Comprimento da pastilha abrasiva
lw [mm] Comprimento do furo
n [-] Número de repetições
r [-] Coeficiente de correlação de Pearson
t [s] Tempo
tc [s] Tempo de processo
tcg [s] Tempo de contato entre o grão e peça
Alfabeto grego:
[-] Nível de significância estatística m [-] Período de desgaste constante
x [-] Deslocamento na direção x
y [-] Deslocamento na direção y
w [-] Período de desgaste rápido
s [-] Comprimento de amostragem ou cut-off a [-] Coeficiente de atrito axial
x [-] Ângulo de rotação do eixo x y [-] Ângulo de rotação do eixo y y [MPa] Tensão de escoamento do material
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 19
1.1 Objetivos principais ... 23
1.2 Objetivos secundários ... 24
2 PROCESSOS DE REMOÇÃO DE MATERIAL COM FERRAMENTA DE GEOMETRIA NÃO DEFINIDA ... 25
2.1 Materiais superabrasivos ... 28
2.2 Ligantes metálicos ... 30
2.3 Desgaste de ferramentas para brunimento ... 32
3 PROCESSO DE BRUNIMENTO ... 37
3.1 Brunimento de curso longo de passe único... 41
3.2 Características de ferramentas para brunimento de curso longo e de passe único ... 43
3.3 Ferramentas rígidas com múltiplas pastilhas ... 45
3.4 Cinemática do processo de brunimento de passe único ... 47
3.5 Esforços envolvidos no processo de brunimento ... 49
3.6 Texturas produzidas em processos de brunimento ... 54
3.7 Grandezas de entrada e de processo no brunimento ... 55
4 DISPOSITIVOS E MÉTODOS ... 59
4.1 Máquina-ferramenta ... 59
4.2 Ferramentas de corte ... 60
4.2.1 Composição química da pastilha de brunimento ... 60
4.2.2 Medição do perfil da ferramenta de brunimento ... 61
4.3 Corpo de prova ... 64
4.3.1 Medição das características macrogeométricas do furo ... 65
4.3.2 Medições de rugosidade ... 67
4.4 Fixação dos corpos de prova e da ferramenta ... 67
4.5 Dispositivo para aquisição de dados ... 69
4.6 Sistema de medição de força ... 70
4.7 Bancada experimental ... 71
4.8 Planejamento experimental ... 73
4.8.1 Ensaios A: desgaste da ferramenta de brunimento ... 74
4.8.2 Ensaios B: planejamento fatorial 23 com ponto central ... 77
5 ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 81
5.1 Considerações iniciais ... 81
desgaste da ferramenta ... 92
5.2.3 Desvio de batimento circular radial como função do estado de desgaste da ferramenta ...103
5.2.4 Medições de rugosidade em furos brunidos como função do estado de desgaste da ferramenta ...106
5.3 Ensaios B: delineamento fatorial 23 com ponto central ...110
5.3.1 Verificação da existência de curvatura no modelo de predição de forças ...110
5.3.2 Modelo de predição de forças de corte ...111
5.3.3 Superfícies de resposta para a variável dependente FC ...118
5.3.4 Otimização dos parâmetros de entrada com base em Fc ...121
6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...125
6.1 Conclusões ...125
6.2 Sugestões para trabalhos futuros ...128
REFERÊNCIAS ...129 ANEXO I ...139 ANEXO II ...142 ANEXO III ...149 APÊNDICE A ...150 APÊNDICE B ...154 APÊNDICE C ...155 APÊNDICE D ...156 APÊNDICE E ...157
1 INTRODUÇÃO
Processos de usinagem com ferramentas de geometria não defini-da são utilizados com sucesso na produção industrial desde os primór-dios da civilização. Tais processos são geralmente utilizados na produ-ção de superfícies com propriedades específicas e, desta forma, repre-sentam um importante campo de pesquisa com grande potencial para desenvolvimentos futuros [1]. O extensivo uso destes processos pela indústria pode ser verificado através do consumo de diamante industrial como ferramenta abrasiva ao longo dos anos, Figura 1.1.
Figura 1.1 - Consumo de diamante industrial como ferramenta abrasiva nos EUA até 2015 - fonte [2]
A produção de diamante como ferramenta abrasiva ainda é des-prezível comparada aos abrasivos convencionais [2]. Porém há uma crescente utilização do diamante na indústria devido às vantagens eco-nômicas que estes abrasivos apresentam.
O consumo do diamante industrial como ferramenta abrasiva no período compreendido entre 2010 até 2015 aproxima-se do valor total consumido em toda a década de 2000, e representa quase dobro do con-sumo correspondente à década de 1990. Isto mostra a crescente tendên-cia na utilização do diamante como ferramenta abrasiva. A Figura 1.2 apresenta a produção mundial de diamante industrial e seu respectivo valor ao longo do tempo até o ano de 2015.
16 26 32 53 128 376 813 720 0 200 400 600 800 1,000 40 50 60 70 80 90 2000 10* C on su m o [t] Década *até o ano de 2015
Figura 1.2 - Produção mundial e custo de fabricação do diamante sinté-tico - fonte [2]
Nota-se através da Figura 1.2 que um aumento significativo na produção de diamante sintético ocorreu entre 2003 e 2004. Isso se deve ao fato do domínio, por parte dos chineses, da técnica de fabricação do diamante sintético. Observa-se também uma redução significativa do custo de fabricação do produto ao longo dos anos. Por volta dos anos 1980 o custo de fabricação deste situava em aproximadamente 50.000 $/kg de diamante fabricado, reduzindo para cerca de 960 $/kg no ano de 2015, representando uma queda real 98% no custo de fabricação do diamante sintético [2].
Desta forma, o uso de diamantes sintéticos como ferramenta abra-siva é incentivado, visto que a redução do custo da produção desta maté-ria-prima e a economia de processo gerada pela sua utilização fomenta a migração do uso de abrasivos convencionais para os superabrasivos.
No contexto de processos abrasivos que fazem uso de superabra-sivos, destaca-se o brunimento, o qual é utilizado para o processamento de superfícies planas e cilíndricas [3, 4].
O processo de brunimento tem como objetivo a produção de su-perfícies funcionais e a garantia de alta qualidade geométrica e de forma para os componentes. A precisão dimensional e de forma, assim como a rugosidade da superfície, podem ser obtidas para magnitudes menores do que 1 m [5].
Em relação à produtividade e confiabilidade o processo de bru-nimento é uma das melhores alternativas como processo final numa cadeia de produção de furos cilíndricos de alta precisão. O processo de brunimento geralmente é utilizado nas etapas finais de fabricação, logo os componentes brunidos apresentam alto valor agregado. Em
decorrên-20900 3030 1560 963 7.96 100 861 891 -100 100 300 500 700 900 1,100 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 P ro du çã o [t] C us to [ $/k g] Ano Custo Produção
cia disto, os requisitos de estabilidade e repetibilidade de um processo de brunimento são obrigatórios [6].
Apesar de ser amplamente empregado na indústria, pesquisas en-volvendo o processo de brunimento apenas apresentaram um aumento na última década. Após uma busca online de bibliografias utilizando as palavras-chaves machining process e honing nas plataformas Scopus e Web of Science, encontrou-se que o número total de publicações na área de brunimento é de 160. Tal pesquisa foi executada para publicações em qualquer língua. Os resultados quanto ao número de publicações anuais podem ser vistos na Figura 1.3.
Figura 1.3 - Número de publicações anual na área de brunimento De acordo com a Figura 1.3 o volume de publicações anuais so-bre o processo de brunimento aumentou significativamente no ano de 2008 até os dias atuais, comparado ao período anterior. Isto mostra um maior interesse, tanto da comunidade acadêmica por tal conhecimento quanto da indústria em aplicar estes desenvolvimentos em suas linhas de produção, aumentando produtividade e reduzindo custos, com o aumen-to da qualidade do produaumen-to.
As publicações utilizadas para exprimir a Figura 1.3 foram cate-gorizadas de acordo com os tipos de ferramentas empregadas no proces-so, sendo englobados nas categorias de processo: abrasivo, químico (ECH) e assistido por vibrações ultrassônicas (UV). A Figura 1.4 apre-senta a quantidade de publicações em cada uma destas áreas.
0 4 8 12 16 20 20 18 20 17 20 16 20 15 20 14 20 13 20 12 20 11 20 10 20 09 20 08 20 07 20 06 20 05 20 04 20 03 20 02 20 01 20 00 19 99 19 98 19 94 19 93 19 91 19 88 19 87 19 86 19 85 19 83 19 82 P ub licaç ões Ano
Figura 1.4 - Publicações por área em brunimento
Considerando as publicações em que são utilizados abrasivos como meio de remoção de material, a Figura 1.4 também apresenta a quantidade delas que utiliza ferramentas com grãos abrasivos de: dia-mante (D), nitreto de boro cúbico (cBN), carboneto de silício (SiC) e óxido de alumínio (Al2O3).
Notou-se que, atualmente, há uma tendência em se pesquisar pro-cessos de brunimento que utilizam ferramentas superabrasivas, ou seja, ferramentas que empregam como abrasivos o diamante e o cBN. Isto ocorre devido à economia que estes materiais proporcionam, levando em consideração a vida e o custo da ferramenta, assim como a quantidade de componentes produzidos.
Dentre as publicações encontradas, desde 2017 até os dias atuais, notou-se que há uma tendência em pesquisar processos de brunimento com foco em:
Brunimento com ferramentas flexíveis; Brunimento de engrenagens;
Brunimento plano;
Brunimento com ferramentas híbridas;
Monitoramento de processo via emissão acústica; Predição e otimização de texturas brunidas; Caracterização de superfícies brunidas.
De acordo com o exposto anteriormente, existe uma oportunidade para o desenvolvimento de pesquisa na área de brunimento com cinemá-tica de passe único (single-pass honing) com ferramenta diamantada de precisão. Tal processo é largamente empregado na indústria visando à produção de furos com características de alta precisão dimensional e de forma, além de produzir uma textura característica [7].
Outro motivo que levou à execução deste trabalho de pesquisa compreende o interesse de uma empresa parceira em obter maiores
co-122 30 22 22 20 19 19 0 40 80 120 160
Abra. D CBN SiC Al2O3 ECH UV
P
ub
licaç
ões
nhecimentos a respeito deste processo, uma vez que este processo é aplicado em sua linha de produção de mancais e cilindros de blocos para compressores herméticos.
Desta forma firmou-se uma parceria entre o Laboratório de Me-cânica de Precisão (LMP-UFSC) e uma empresa parceira para a execu-ção de um trabalho de pesquisa em brunimento de precisão com ferra-mentas rígidas de mancais para blocos de compressores herméticos fa-bricados em ferro fundido GG20.
Este trabalho propõe a avaliação das influências exercidas pelo estágio de vida de uma ferramenta de brunimento com múltiplas pasti-lhas superabrasivas, em uma operação de passe único. Tal avaliação é feita através da medição e análise dos esforços de brunimento e com-plementarmente com uma avaliação de textura e forma do furo brunido. Isto garante o entendimento do comportamento deste processo ao longo da vida de uma ferramenta de brunimento.
Posteriormente avalia-se a influência exercida pelas variáveis de entrada no brunimento de passe único, e propõe-se um modelo empírico para predição da força de corte, Fc, máxima atingida durante o processo. Os objetivos principais e secundários desta pesquisa são descritos nas seções seguintes.
1.1 Objetivos principais
O conhecimento difundido a respeito do brunimento de passe único é escasso na literatura. A utilização de ferramentas rígidas (man-dris de brunimento ou precidor tools) com múltiplas pastilhas diamanta-das torna o processo muito específico, conduzindo a uma escassez ainda maior de informações na literatura a respeito do comportamento do processo.
Além disto, a utilização deste processo nas linhas de produção da empresa parceira baseia-se em um conhecimento obtido experimental-mente, bem como na experiência dos fabricantes dos equipamentos e ferramentas de brunimento. Desta forma, definem-se os seguintes obje-tivos principais a serem alcançados neste trabalho:
i. Avaliar os efeitos do desgaste da ferramenta de brunimento sobre a força de corte, Fc, medida durante o processo de brunimento de passe único, utilizando-se ferramentas precidor;
ii. Avaliar os efeitos do desgaste da ferramenta sobre o resultado de forma e textura de furos brunidos em ferro fundido GG20.
1.2 Objetivos secundários
Dentre os objetivos secundários deste trabalho encontram-se: i. Avaliar os efeitos que o desgaste da ferramenta exerce sobre a
circularidade de pico a vale, RONt, do furo brunido;
ii. Avaliar os efeitos que o desgaste da ferramenta exerce sobre a ci-lindricidade de pico a vale, CYLt, do furo brunido;
iii. Avaliar os efeitos que o desgaste da ferramenta exerce sobre os parâmetros de rugosidade Ra, Rz, Rq, Rpk, Rk e Rvk do furo brunido;
iv. Exprimir o tipo de interação entre as variáveis de entrada do pro-cesso, sobrematerial, velocidade axial e velocidade tangencial, sobre a força de corte medida ao longo do processo de brunimen-to de passe único;
v. Exprimir um modelo empírico de predição da força de corte (com base em um planejamento fatorial), segundo uma técnica de re-gressão mais adequada para os dados;
vi. Definir as combinações das variáveis de entrada do processo que resultem em uma mínima força de corte, Fc.
Nos capítulos 2 e 3 que se seguem será exposta uma breve revi-são da literatura a respeito do processo de brunimento de precirevi-são com cinemática de passe único.
O capítulo 4 expõe os meios e equipamentos utilizados ao longo do trabalho, assim como os métodos empregados para alcançar os obje-tivos listados anteriormente.
O capítulo 5 documenta uma análise dos resultados obtidos a par-tir dos ensaios de brunimento executados. Tal seção busca explicar os principais fenômenos envolvidos na obtenção do resultado de trabalho via brunimento com cinemática de passe único.
Por fim, o capítulo 6 apresenta as principais conclusões retiradas a partir dos ensaios, assim como sugestões para trabalhos futuros nesta área do conhecimento.
2 PROCESSOS DE REMOÇÃO DE MATERIAL COM FERRAMENTA DE GEOMETRIA NÃO DEFINIDA
Processos de usinagem que utilizam ferramentas de corte com geometria não definida também são denominados como processos abra-sivos. A classificação destes processos é regida pela norma alemã DIN 8589-0. O termo “geometria não definida” é dado àquelas ferramentas em que o número, a geometria e a posição dos gumes em relação à peça são indeterminados ou indefinidos [4, 8].
Na usinagem com ferramentas de gumes geometricamente inde-finidos, a remoção de material realiza-se através da ação de grãos abra-sivos de alta dureza, que podem atuar de forma livre ou unidos por um ligante [9]. Processos abrasivos são empregados na fabricação de peças com alta qualidade, alta precisão e pequenas tolerâncias, deste modo tais processos são, geralmente, empregados em etapas de acabamento [8, 10].
A determinação dos gumes cortantes geometricamente não defi-nidos é prejudicada pela microgeometria extremamente complexa das ferramentas. O material removido nestes processos corresponde à soma das pequenas porções removidas da peça por cada grão [11].
A protrusão dos grãos abrasivos em relação ao ligante é variável, desta forma, somente uma parte dos gumes penetra na peça durante o processo de usinagem, ocasionando a formação de cavaco. Estes gumes são denominados de cinemáticos, ou seja, gumes cinemáticos são aque-les que efetivamente geram cavacos durante a usinagem, Figura 2.1. Por outro lado, gumes estáticos são os gumes de uma ferramenta de corte sem considerar o processo de usinagem [11].
Feng, Ren e Pei [12] propuseram um modelo físico de predição para o número de grãos em contato em profundidade de penetração dos grãos abrasivos em uma operação de brunimento. Segundo os autores, a predição do número de gumes cinemáticos e sua profundidade de pene-tração na peça são importantes, pois auxiliam no entendimento do pro-cesso de formação de cavacos, do desgaste da ferramenta e na otimiza-ção do padrão cruzado para melhorar o desempenho tribológico da su-perfície brunida.
Segundo Feng, Ren e Pei [12], uma aproximação física para ca-racterizar a topografia da ferramenta abrasiva é engrenar a superfície da ferramenta abrasiva com grãos virtuais. Utilizando este tipo de aproxi-mação, a topografia da ferramenta pode ser estocasticamente simulada, baseando-se nas variáveis da ferramenta (tamanho médio do grão abra-sivo, densidade de grãos, força normal, área de contato etc.) e nos efei-tos físicos do tamanho médio do grão abrasivo e densidade dos mesmos. Os autores estudaram as influências que o tamanho médio do grão (dg), a densidade de grãos (Vg), área de contato nominal (An), a tensão de escoamento do material da peça (y) e a força de contato (Fn) possu-em sobre o número de gumes cinpossu-emáticos e sobre a profundidade má-xima de penetração do grão, Figura 2.2(a) e (b), respectivamente [12].
a) b)
Figura 2.2 - Resultados obtidos pelo modelo sobre a) número de gumes cinemáticos b) máxima profundidade de penetração do gume - adaptado
de [12]
O modelo proposto previu que a máxima profundidade de pene-tração dos gumes aumentou com o aumento do tamanho do grão e da força normal (estática), ao passo que diminuiu com o aumento da densi-dade de grãos abrasivos, da resistência ao escoamento do material da peça e da área de contato nominal entre a ferramenta e peça. O número
de gumes cinemáticos diminuiu com o aumento do tamanho de grão e resistência ao escoamento do material da peça, ao passo que aumentou com o aumento da densidade de grãos, força normal (estática) e da área de contato nominal entre ferramenta e peça [12].
Além da geometria do gume a sua forma de penetração na peça é de suma importância, pois determinará a formação do cavaco, a textura e as deformações que a superfície da peça apresentará [7]. Os quatro mecanismos para a interação dos grãos com o material do corpo sendo usinado são representados através da Figura 2.3.
Figura 2.3 - Princípios de ação de um grão abrasivo - adaptado de [11] O princípio de ação que um grão pode exercer para penetrar em um material e promover a formação de cavaco pode ser por trajetória (retificação e brunimento), por força (usinagem com abrasivos livres e lapidação), por energia (jateamento) e por posição (lapidação e polimen-to) [4].
Quando os grãos abrasivos são pressionados contra a peça com grande força e com pressão na superfície constante, tem-se o princípio de atuação por força. Neste tipo de princípio os grãos não podem rolar, e assim se formam leves riscos na superfície da peça. Em alguns proces-sos de retificação e brunimento o princípio de atuação também pode ser por força, porém como nestes processos os grãos abrasivos são mantidos em uma posição rígida e se mantêm fortemente ligados, o movimento relativo entre grão e peça é procedido em uma linha definida, a penetra-ção do gume se relaciona ao princípio por trajetória [7, 11, 13].
O tempo de contato entre o grão abrasivo e a peça (tcg) em pro-cessos de retificação pode ser de 100 a 1000 vezes menor que o tempo de processo (tc). Em um processo de retificação, o tempo de processo a cada revolução do rebolo varia no intervalo 10 < tc < 100 ms. Já em brunimento o tempo de processo varia no intervalo 100 < tc <1000 ms dependendo da frequência do avanço axial. A Figura 2.4 apresenta um
comparativo entre tempos envolvidos nos processos de retificação, bru-nimento e lapidação [14].
Figura 2.4 - Tempo de contato entre grão e peça, tcg, e tempo de proces-so, tc, para processos de usinagem com ferramentas abrasivas - adaptado
de [14]
Em processos de brunimento existem áreas em que há o contato permanente do grão abrasivo com a peça (porção central da pastilha), conduzindo a uma razão tcg/tc igual a 1. Regiões em que a pastilha de brunimento não está em contato com a peça, ou seja, as regiões superior e inferior da pastilha que saem do furo, a razão tcg/tc pode atingir valores aproximados a 0,8, Figura 2.5 [14].
Figura 2.5 - Razão tcg/tc para o brunimento - adaptado de [14] 2.1 Materiais superabrasivos
Os únicos dois materiais tradicionais que caem na categoria de materiais superduros e ultraduros são o nitreto de boro cúbico (cBN) e o diamante, respectivamente. Diamante tem dureza na escala Vickers maior que 8157 HV, fazendo-o ser classificado como ultraduro, ao passo que o segundo material mais duro conhecido, cBN, possui uma dureza
na escala Vickers de aproximadamente 5098 HV. A Figura 2.6 apresenta um comparativo entre a dureza dos materiais superabrasivos, materiais abrasivos convencionais e outros materiais [4, 15, 16].
Figura 2.6 - Dureza dos materiais - adaptado de [4, 17] Diamante
O diamante é utilizado para fabricação de ferramentas para usi-nagem tanto em sua forma natural, quanto em sua forma sintética. Dia-mantes naturais podem atingir uma dureza maior, sendo que valores de dureza de até 11000 HK são registrados para estes materiais. Em adição a sua alta dureza o diamante é um excelente condutor de calor, porém a temperaturas maiores do que 650ºC existe uma tendência de grafitização do diamante, ou seja, a sua rápida degradação em grafite [4, 16].
Como material abrasivo o diamante é utilizado tanto na forma na-tural quanto sintética, apesar de existir uma tendência em se utilizar apenas diamantes sintéticos. A extrema dureza do diamante é devida a sua estrutura cristalina e as ligações covalentes entre seus átomos de carbono. O diamante é uma forma alotrópica metaestável do carbono com átomos arranjados em uma versão modificada da estrutura cúbica de face centrada (CFC) [4, 15, 16, 18, 19].
Os grãos de diamante podem ter diferentes formas devido aos seus diferentes planos de clivagem. As formas dos grãos também podem ocorrer em decorrência do processo de nucleação dos grãos durante sua fabricação, maiores temperaturas e pressões favorecem a formação de geometrias octaédricas, ao passo que menores temperaturas e pressões favorecem a formação de geometrias cúbicas [4, 19]. As diferentes for-mas de grãos que podem ser obtidos industrialmente são apresentadas na Figura 2.7.
Octaedro Cubo Z
X Y
Aumento da friabilidade Formas adequadas para ligantes metálicos
Figura 2.7 - Exemplos de forma e morfologia de diamantes sintéticos - adaptado de [4, 19, 20]
Devido a sua extrema dureza o diamante é empregado em aplica-ções industriais que requerem um alto desempenho tribológico, princi-palmente na usinagem de materiais endurecidos. Outro objetivo de se aplicar o diamante em processos de usinagem é tornar o processo de usinagem mais econômico, ou seja, usinar um número consideravelmen-te grande de peças até que a ferramenta atinja seu fim de vida [4, 7].
Todavia, o emprego deste material em ferramenta de usinagem é limitado ao processamento de materiais metálicos não ferrosos, cerâmi-cos, componentes de ferro fundido. As aplicações do diamante na usina-gem de materiais ferrosos se limitam àquelas em que os parâmetros empregados não resultem em grande geração de calor, o que provoca a grafitização do diamante e seu rápido desgaste.
2.2 Ligantes metálicos
Ligantes metálicos são empregados somente em ferramentas que utilizam superabrasivos como grão abrasivo. Isto acontece em decorrên-cia da característica de desgaste dos superabrasivos, uma vez que abra-sivos convencionais se desgastam muito rápido, necessitando de uma contínua renovação dos gumes [11].
Uma característica fundamental dos ligantes metálicos é a forte interação com o grão abrasivo, mantendo-o ligado com uma ancoragem muito maior comparada com os ligantes vitrificados e resinoides con-vencionalmente utilizados. Outra característica destes ligantes é a forte
resistência ao desgaste quando usinando materiais frágeis ou que for-mam cavacos curtos [20].
Ligantes metálicos possuem maior resistência mecânica e térmica que os orgânicos (resinoides) e maior resistência a impactos que os vitri-ficados. Comparado às características de fratura dos ligantes vitrificados e fusão dos resinoides, os ligantes metálicos tendem a se desgastar por atrito através da aplicação de um meio abrasivo ou elemento interfacial que promova a remoção de material [17, 21].
Tais ligantes podem se constituir de ligas como cobre-estranho (Cu/Sn), cobalto-bronze (Co/Cu), carbonetos de tungstênio (W/WC) ou ligas de ferro-cobre-estanho (Fe/Cu/Sn). Metais auxiliares como cobalto (Co), níquel (Ni), cobre (Cu), ferro (Fe), zinco (Zn) e manganês (Mn) podem ser adicionados para intensificar ancoragem dos grãos [20].
A alta dureza do material resultante do processo de fabricação da pastilha abrasiva, a partir de grãos de diamante e de ligante metálico, pode se tornar uma desvantagem para o condicionamento da ferramenta, uma vez que os rebolos convencionais de SiC usados em sua preparação se desgastam a uma taxa muito maior comparadas àquelas geradas por processos de retificação de aços convencionais [20].
Depois de retificada a ferramenta passa por uma operação de la-pidação, para remover material ligante entre os grãos abrasivos, o que confere protrusão suficiente aos grãos e espaço para o alojamento de cavacos [22, 23].
Todavia, a composição do ligante metálico pode ser alterada para se tornar frágil e dressável. Um exemplo é a fragilização de ligantes de bronze através do aumento do teor de estanho (Sn) ou adicionando prata (Ag) [20]. A Figura 2.8 apresenta a distribuição de grãos abrasivos de diamante em uma pastilha para brunimento.
a) b)
Figura 2.8 - Imagens de uma pastilha para brunimento, composta de grãos de diamante, D50, e ligante metálico, obtidas via MEV
Han et al. [23] estudaram a influência que a dureza da matriz me-tálica exerce sobre o desempenho de desgaste de pastilhas superabrasi-vas. Em seu trabalho a dureza de uma matriz, constituída por Cu-Sn-Fe-Ni, foi variada de acordo com o percentual de cada constituinte. Os constituintes Fe e Ni são adicionados à matriz para melhorar suas carac-terísticas de retenção do grão de diamante [23].
Han et al. [23] encontraram que uma matriz composta por 60% em massa de Cu - 15% em massa de Sn - 5% em massa de Fe - 20% em massa de Ni (71 HRB) foi a mais adequada para as condições de proces-so e granulometria de diamante utilizada no brunimento de camisas para cilindros de blocos de motores a combustão interna. Composições que permitiram a obtenção de matrizes com durezas de 62 e 80 HRB tam-bém foram testadas. Uma matriz com dureza 62 HRB apresentou des-gaste acentuado gerado pelo destacamento de grãos ou conjunto de grãos. Já uma matriz com dureza 80 HRB propiciou um desgaste muito lento da pastilha e uma grande ancoragem para os grãos de diamante, como consequência os grãos cegam-se. Perde-se, assim, a característica de renovação dos grãos, ou seja, a friabilidade da matriz é prejudicada [23].
2.3 Desgaste de ferramentas para brunimento
A Figura 2.9 apresenta os tipos de desgaste que ocorrem em um grão abrasivo, sendo que o regime de desgaste do grão vai desde abra-são, à quebra ou destacamento de conjuntos de grãos inteiros. Baixas forças atuando sobre o grão tendem a produzir desgaste por abrasão, grandes forças sobre o grão resultam em quebra (auto-afiação) e desta-camento dos mesmos [7, 13, 14, 19, 22, 24, 25, 26].
Tratando-se do desgaste de ferramentas abrasivas, uma distinção deve ser feita entre o desgaste do grão e o desgaste do ligante. Quando se tratando de desgaste do grão, ou cegamento, a pressão de contato na interface com a peça aumenta à medida que o grão se desgasta, desta forma as tensões agindo sobre o grão também aumentam. No momento em que estas tensões atingem um valor limite do ligante, os grãos são destacados do mesmo [27].
Se o desgaste do ligante ocorre de maneira rápida, o comprimento de ancoragem do grão no ligante diminui, porém as tensões atuantes aumentam. Caso estas tensões ultrapassem o valor crítico, o grão é ex-pulso do material ligante. Neste momento, mesmo os grãos afiados ou ligeiramente desgastados serão removidos do ligante, portanto o consu-mo específico de abrasivo e os custos de operação tendem a aumentar [27].
O desgaste em materiais cerâmicos superduros é altamente de-pendente dos parâmetros de processo empregados (pressão normal de contato, velocidade de corte, temperatura) e das propriedades do materi-al (tamanho de grão, propriedades mecânicas e térmicas).
Estudos mostraram que o desgaste de ferramentas de usinagem depende muito do modo de desgaste que ocorre durante a operação. Em baixos carregamentos mecânicos e, relativamente, baixas temperaturas, o modo de desgaste predominante é controlado pelas reações tribológi-cas e químitribológi-cas. Por outro lado, com grandes solicitações mecânitribológi-cas e altas temperaturas, o modo de desgaste predominante passa a ser o des-gaste mecânico iniciado pela propagação de trincas, resultando em mi-crofraturas e destacamentos de grãos ou de um conjunto deles (Olagnon et al. 2006, apud [15]). A Figura 2.10 apresenta a relação entre a taxa de remoção específica e o tipo de desgaste observado nos grãos.
Figura 2.10 - Tipo de desgaste em função da taxa de remoção de materi-al específica - adaptado de [11]
Em processos de brunimento com superabrasivos, como são bai-xas a taxa de remoção de material específica, a velocidade de corte, a velocidade de avanço e a pressão de contato, aliados ao tipo de grão empregado, segundo a Figura 2.10, o mecanismo atuante no desgaste do grão superabrasivo é, na maioria das vezes, a abrasão (atrito). Contudo, a utilização de diamante direcionado em um plano de clivagem adequa-do, mais friável, pode levar a um desgaste através de microlascamentos.
Para ferramentas de brunimento recém-condicionadas (dressadas e limpas), assim como para ferramentas de geometria definida, existem três fases de desgaste que ocorrem ao longo de toda a sua vida: desgaste acentuado decrescente (estabilização ou run-in), desgaste constante (steady state wear), e desgaste rápido crescente [20, 22, 25, 28].
Para pastilhas condicionadas o desgaste é acentuado e rápido de-vido ao período de estabilização dos gumes, também denominado “run-in”, da ferramenta, ou seja, nesta fase ocorre o ajuste da dimensão, for-ma e agressividade dos grãos da ferramenta ao furo a ser brunido. Isto ocorre através de um rápido desgaste dos gumes com tendência a exis-tência de taxas decrescentes de desgaste, tanto radial, quanto dos grãos.
Após este período a ferramenta entra em um regime de desgaste constante, m, caracterizado pelo desgaste a uma taxa constante. Em um último estágio de vida da ferramenta ocorre o cegamento dos grãos abrasivos da pastilha abrasiva, assim como a perda de grãos abrasivos. Tal fase é caracterizada novamente por um regime de rápido desgaste da pastilha abrasiva, w, com um aumento progressivo da taxa de desgaste até que todos os gumes sejam renovados. A Figura 2.11 apresenta estas três fases da vida de uma ferramenta [25, 29].
Figura 2.11 - Desenvolvimento do desgaste ao longo da vida de uma pastilha de brunimento superabrasiva - adaptado de [4, 25, 28, 29]
A quebra ou o destacamento frequente dos grãos abrasivos do material ligante irá causar o rápido desgaste da ferramenta. A estabilida-de dos grãos fixados no ligante estabilida-depenestabilida-de da força agindo sobre os mes-mos, assim como, das propriedades mecânicas e geométricas do sistema grão-ligante [27].
Cabanettes, Dimkovski e Rosén [30] executaram um estudo que verificou as variações em 65 parâmetros de rugosidade, medidos na superfície de um bloco de motor brunido, induzidas pelo desgaste da pastilha de brunimento empregada em processo. O estudo foi realizado para uma operação de brunimento plateau com ferramenta abrasiva constituída de grãos de diamante. De todos os parâmetros de rugosidade estudados pelo autor, somente alguns mostraram correlação significativa com o desgaste da ferramenta de brunimento [30].
Dentre estes parâmetros, Spk (altura reduzida dos picos) e Ssc (curvatura média dos cumes) apresentaram uma forte correlação com o desgaste dos grãos abrasivos de diamante. Estes parâmetros indicam o quão arredondadas são as irregularidades da superfície [30]. A Figura 2.12 apresenta em detalhe o parâmetro Ssc como uma função do desgas-te da ferramenta de brunimento. Observa-se que, para cada cilindro brunido, existe uma tendência do aumento do parâmetro Ssc com o au-mento do desgaste da ferramenta abrasiva.
Figura 2.12 - Relação entre o desgaste da pastilha de brunimento e o parâmetro Ssc da topografia da superfície - adaptado de [30]
3 PROCESSO DE BRUNIMENTO
Brunimento é um processo de corte com abrasivos ligados usado para melhorar a precisão dimensional e de forma, assim como a qualida-de da superfície gerada (textura) através do contato constante da superfí-cie do componente com a ferramenta. De forma geral, o brunimento é aplicado após algum outro processo de usinagem, se tornando o último processo de uma linha de produção [1, 11, 24, 26]. A Figura 3.1 apre-senta os 10 tipos de desvios mais recorrentes em furos gerados por pro-cessos de usinagem que podem ser removidos através de um processo de brunimento com uma mínima quantidade de material removido da peça [17, 25, 31, 32].
Figura 3.1 - Erros comuns em furos que podem ser corrigidos através do processo de brunimento - adaptado de [1, 16, 17, 25, 33]
O objetivo principal do brunimento é produzir uma precisão alta e uniforme e um acabamento fino, mais frequentemente em superfícies cilíndricas internas. Em aplicações mais comuns somente alguns milé-simos de milímetro são removidos da peça, porém operações com altas taxas de remoção podem atingir uma remoção efetiva em diâmetro de até 6,35 mm em tubos para escoamento interno. O brunimento é o único processo de usinagem que consegue remover material, garantir precisão de forma e dimensão a um furo e ainda ser altamente econômico e rápi-do [16, 25, 31, 32].
A mais frequente aplicação do processo de brunimento é para o acabamento de superfícies cilíndricas de furos, porém, o brunimento também é aplicado a superfícies cilíndricas externas. Exemplos de com-ponentes que passam pelo processo de brunimento são engrenagens, componentes de válvulas, canais de rolamentos, mancais para compres-sores herméticos, mancais e furos de bielas, camisas para cilindros de
motores a combustão, cilindros de freios a tambor e eixos de maneira geral [13, 16, 21, 24].
Segundo Davis [16] o processo de brunimento possui capacidade para usinar uma larga gama de diâmetros de furos, que permeiam desde pequenos diâmetros de 1,6 mm a diâmetros maiores que 1270 mm. O brunimento de furos com diâmetro por volta de 760 mm é uma prática comum na indústria de tubulações para escoamento interno [16]. Perez [24] afirma que a gama de diâmetros possíveis de usinagem em bruni-mento está em um intervalo entre 0,6mm e 1500 mm. Segundo Schmitt [19] o diâmetro das peças usinadas pode variar desde diâmetros de 1 mm até diâmetros acima de 2000 mm.
Os vários processos de brunimento são classificados segundo a norma alemã DIN 8589-14, que o define como um processo de usina-gem com ferramenta de geometria não definida em que a ferramenta de corte com múltiplos gumes executa um movimento de corte em duas componentes, nos quais uma componente é periódica ou alternada, logo a textura produzida na superfície é cruzada [13, 17, 34]. A Figura 3.2 ilustra um processo de brunimento convencional de furos cilíndricos.
Figura 3.2 - Processo de brunimento convencional de curso longo de superfícies cilíndricas internas - adaptado de [34]
Os processos de brunimento podem ser divididos em seis classes: plano, de parafusos (helicoidal), de superfícies cilíndricas, de engrena-gens, de perfil e de forma [21, 35].
Todavia, a divisão entre brunimento de curso longo (brunimento de tração, brunimento) e brunimento de curso curto (brunimento fino, brunimento de tração fina, superfinishing ou retificação vibratória) é
mais empregada. A diferença entre os dois métodos resulta do fato de que a componente do movimento de corte percorre todo o comprimento da peça em brunimento de curso longo, ao passo que em brunimento de curso curto, o movimento de corte é gerado por vibrações com alguns milímetros de oscilação (movimento harmônico) [11, 17, 21, 26, 34]. A Figura 3.3 apresenta as classificações do processo de brunimento mais usuais.
Figura 3.3 - Classificação dos processos de brunimento - adaptado de [21, 35]
O brunimento de curso longo é principalmente utilizado para a usinagem de furos internos, assim como superfícies cilíndricas externas. Adicionalmente, furos perfilados e cônicos podem ser brunidos [26]. No caso de brunimento de curso curto superfícies cilíndricas são usinadas entre centros ou com processo centerless, já para superfícies planas é executado um brunimento de curso curto plano [11, 26].
Dentre as pesquisas mais recentes em brunimento com ferramen-tas abrasivas Pereira et al. [36] investigaram o efeito que a rotação, a velocidade de avanço e o número de passes exercem sobre a rugosidade obtida em blocos de compressores herméticos de ferro fundido GG20 brunidos com ferramentas flexíveis. Como resultado da pesquisa obteve-se que o número de pasobteve-ses é o fator mais influente sobre a rugosidade do mancal.
Corral, Flórez e Fernández [37] estudaram o sinal de emissão acústica obtidos em processos de brunimento convencional do aço St-52 executados com ferramentas com diferentes densidades de grãos. Os autores também correlacionaram a taxa de remoção de material, o des-gaste da ferramenta e, por fim, a textura da superfície com a densidade de grãos da ferramenta. Os autores encontraram que, para a granulome-tria e pressão de contato utilizadas, uma densidade de grãos correspon-dente a 15 ct/mm3 é insatisfatória considerando a taxa de remoção de material e desgaste da ferramenta. Verificou-se também que para
densi-dades superiores a 45 ct/mm3 a ferramenta estava propícia ao empasta-mento pelo material da peça.
Arantes et al. [38] estudaram a caracterização de textura e rugo-sidade em cilindros brunidos, fabricados via brunimento com ferramen-tas convencional e flexível (escova). Como resultado obteve-se um au-mento significativo na qualidade do furo brunido com processo conven-cional e também brunido com ferramenta flexível. Obteve-se também que a densidade de picos e sua incerteza de medição associada após a aplicação do brunimento flexível, assim como os valores médios de área de vales e de picos, foram reduzidas significativamente em 61 e 63% respectivamente. Verificou-se também que os valores médios de todos os parâmetros de textura avaliados foram maiores com medições via técnicas sem contato mecânico.
Corral, Lamo e Almagro [39] propuseram um modelo empírico que permite a tradução de resultados de rugosidade de uma máquina de teste para diferentes máquinas industriais sem a necessidade de parar a produção por um longo período. Como resultado, uma nova metodolo-gia de predição de rugosidade em máquinas industriais foi obtida basea-da em basea-dados obtidos em máquinas de teste. Os modelos foram aplicados na predição de Ra. Os principais fatores que influenciaram os resultados de Ra foram o tamanho de grão seguido pela pressão de contato. Os autores também criaram um novo parâmetro de rugosidade, DifRa, que modela a distância dos resultados de um teste para os resultados reais na linha de produção.
Chang e Soshi [40] estudaram o brunimento plano de ferro fundi-do endurecifundi-do com ferramentas flexíveis, para aplicações em guias de máquinas ferramentas CNC. Tal pesquisa foi realizada com objetivo de substituir o processo de retificação convencionalmente aplicado a estes componentes. Como resultado, encontraram-se as condições de bruni-mento ótimas para se atingir baixas rugosidades e uma superfície plate-au com alta capacidade de suporte de carga.
Yurdakul, Ic e Güneş [41] estudaram uma otimização do proces-so de brunimento de cilindros hidráulicos para melhorar sua rugosidade. Tal otimização foi executada aplicando os métodos de Taguchi e super-fície de resposta.
Wang et al. [42] pesquisaram um método alternativo de bruni-mento para melhorar a eficiência na produção de engrenagens cônicas. Como resultado obteve-se que a modificação proposta na engrenagem brunidora garantiu boa precisão com desvio máximo de perfil de 15,1 m.
Dahlmann e Denkena [43] trabalharam no desenvolvimento de uma ferramenta de brunimento híbrida que executa o brunimento de semi-acabamento, microestruturação e o brunimento de acabamento, nesta sequência. Tal ferramenta é empregada com objetivo de substituir as etapas de processo de estruturação da superfície via laser ou com ferramenta de fresamento de gume único (fly cut tool), que são, compa-rativamente, processos mais lentos. Como resultado da pesquisa a super-fície microestruturada com a ferramenta híbrida foi obtida 6 vezes mais rápida que aquelas produzidas com auxílio de processos laser e 25 vezes mais rápida que aquelas geradas com ferramentas fly cut.
3.1 Brunimento de curso longo de passe único
Segundo König [9], no brunimento de curso longo as relações dos movimentos relativos entre peça e ferramenta, em princípio, são os mesmos que aqueles do brunimento de curso curto para peças cilíndri-cas. Porém, no brunimento de curso longo a ferramenta executa tanto o movimento de rotação quanto o movimento de avanço axial ou longitu-dinal.
De maneira divergente que no brunimento de curso curto o mo-vimento axial não é decorrente de um momo-vimento harmônico. A veloci-dade axial é praticamente constante sobre todo o curso de trabalho, e apenas se anula nas proximidades do ponto morto superior e do ponto morto inferior de reversão do curso [9]. Segundo Schmidt [37], o bru-nimento de curso longo pode ser dividido em dois processos que se diferenciam pela cinemática empregada em cada um deles: brunimento convencional e brunimento de passe único. As diferentes cinemáticas empregadas em cada um destes tipos de brunimento de curso longo define, também, a textura resultante da superfície [37].
No brunimento convencional executam-se três movimentos me-cânicos ao mesmo tempo: rotação, avanço oscilante, e expansão da fer-ramenta. Porém, no brunimento de passe único a ferramenta é ajustada para remover determinado volume de material e a operação é realizada em apenas um curso completo, ou seja, um movimento de descida e subida da ferramenta. Caso seja necessária a remoção de uma maior quantidade de material, o diâmetro da ferramenta deve ser reajustado ou o processo deve ser dividido em várias etapas, com vários diâmetros e granulometrias de ferramenta [37, 45]. A Figura 3.4 ilustra a diferença entre brunimento convencional e de passe único.
a) b)
Figura 3.4 - Movimentos relativos no a) brunimento convencional b) brunimento de passe único - adaptado de [45]
No brunimento de passe único como a ferramenta não é expandi-da ao longo do processo a rigidez expandi-da mesma é alta, logo, baixas taxas de remoção de material são resultantes. Normalmente as taxas de remoção de material são atingidas via ajuste do diâmetro ou da velocidade axial da ferramenta. Em decorrência da alta rigidez e da forma controlada da ferramenta, a precisão de forma de um furo pode atingir 0,5 m, utili-zando-se o processo de brunimento de passe único [46].
As ferramentas de brunimento de passe único são fabricadas, ge-ralmente, com grãos superabrasivos, diamante ou cBN, e ligante metáli-co. Os superabrasivos são utilizados com o objetivo de eliminar a neces-sidade do ajuste frequente do diâmetro da ferramenta visando compen-sar o seu desgaste (radial e do grão). Ao passo que o ligante metálico tem a função de manter os grãos ancorados com coesão suficiente para suportar a solicitação mecânica sobre os grãos abrasivos [7, 24].
O processo com passe único é limitado com respeito ao volume de material que pode ser removido. A dimensão e volume dos cavacos produzidos não devem ser maiores que os espaços entre grãos abrasivos presentes na pastilha, caso contrário, a ferramenta pode travar no furo. Processos que utilizam esta cinemática são mais adequados para usina-gem de furos curtos que produzem um baixo volume de cavacos e é mais aplicado para o brunimento de ferros fundidos [32].
O acabamento da superfície e a remoção de material que podem ser alcançadas através de um processo de brunimento estão, também, diretamente relacionados com o tamanho da partícula abrasiva utilizada na construção da pastilha de brunimento. Por exemplo, em uma peça de ferro fundido, com uma pastilha de MESH100 consegue-se remover até
0,076 mm no diâmetro do furo e alcançar uma rugosidade média de até 2,0 m. Já para uma ferramenta de MESH400 brunindo o mesmo mate-rial, consegue-se obter uma remoção de até 0,025 mm no diâmetro do furo e alcançar uma rugosidade média menor [7].
Peres [24] considera em seu trabalho que o material removido no diâmetro do furo deve se situar na faixa que varia de 10 a 25% do tama-nho médio do grão (10% < Dméd.grão < 25 %). A Figura 3.5 apresenta a relação entre material removido, diâmetro médio de grão, diâmetro do furo e rugosidade aritmética, Rz.
Figura 3.5 - Relação entre o diâmetro médio de grão, material removido e rugosidade Rz para operações de brunimento com cinemática de passe
único - adaptado de (NAGEL, 1996 apud [7])
3.2 Características de ferramentas para brunimento de curso longo e de passe único
Ferramentas para brunimento de curso longo podem ser divididas em dois grupos principais: ferramentas expansíveis e não expansíveis [17, 33]. Ferramentas não expansíveis ao longo da operação de bruni-mento também são denominadas de “precidor tools” (präzisionsho-nenwerkzeug), e a este grupo de ferramentas que compreendem os inte-resses deste trabalho.
Segundo Paucksch [21] uma maneira fácil de classificar as ferra-mentas de brunimento é através do número de pastilhas de brunimento presentes, porém, com este método não se consegue classificar todos os tipos de ferramenta, uma vez que aquelas revestidas com camada única de abrasivos (single layer) não se encaixam nesta classificação. A Figu-ra 3.6 apresenta configuFigu-rações comuns de ferFigu-ramentas paFigu-ra brunimento.
a) b) c) d) e)
Figura 3.6 - Ferramentas de brunimento com a) pastilha única, b) duas pastilhas, c) múltiplas pastilhas, d) bucha abrasiva, e) maciça (single
layer) - adaptado de [21, 33]
A classificação pelo número de pastilhas não abrange todos os ti-pos de ferramenta, sendo que ferramentas flexíveis (flexhoning tool ou flexhonenwerkzeug), maciças (single layer tool) e adaptativas não po-dem ser classificadas através do número de pastilhas, assim como os cabeçotes de brunimento a laser também não são.
Outros tipos construtivos de ferramentas tais como as “ferramen-tas de bucha” consistem basicamente de uma haste metálica cônica e de uma bucha abrasiva montada sobre esta haste rígida. Tais ferramentas também são classificadas como rígidas e utilizadas em aplicações nas quais há o risco de existir ondulações e marcas devido a vibrações [9, 24].
Na superfície das buchas empregadas nestas ferramentas, supera-brasivos são eletrodepositados e ligados, geralmente com um metal. As buchas abrasivas empregadas podem ter diferentes geometrias, como por exemplo, ser constituídas de dois semicilindros fixados através de parafusos no corpo da ferramenta, ou de uma camisa cilíndrica com um rasgo ao longo de todo o seu comprimento colocada em um ajuste por interferência sobre a haste cônica, Figura 3.7 [26, 34].
a) b) c)
Figura 3.7 - Brunidor de bucha abrasiva - adaptado de [24] Ferramentas maciças não são ajustáveis, não sendo possível o ajuste do diâmetro da ferramenta para compensar os efeitos do desgaste dos grãos superabrasivos e se constituem de uma peça única. Este tipo construtivo de ferramenta também é inserido dentre o meio das
ferra-mentas rígidas. As superfícies de corte podem ser totalmente cobertas com superabrasivos ligadas com metal ou divididas em faixas longitudi-nais abrasivas, assemelhando-se a uma ferramenta de pastilhas, Figura 3.8 [21].
Figura 3.8 - Ferramentas de brunimento maciças - adaptado de [21, 24] Ferramentas maciças galvanizadas, geralmente, possuem limitada protrusão de grãos e uma distribuição estocástica dos grãos abrasivos. Estas propriedades restringem o espaço para o acesso do lubrirefrigeran-te assim como para remoção de cavacos [47].
Com objetivo de resolver estes problemas Burkhard [47] desen-volveu um método de produção de ferramentas single-layer, no qual grãos altamente protrusos são arranjados em um padrão bem definido e brasados sobre o corpo da ferramenta. A ferramenta desenvolvida, em comparação com as convencionais galvanizadas, apresentou um aumen-to significativo de vida, cerca de 10 vezes maior [47]. Outro tipo cons-trutivo de ferramenta rígida, muito empregado na indústria, são os man-dris de brunimento ou ferramentas rígidas de múltiplas pastilhas supera-brasivas (precidor tools), descritos a seguir.
3.3 Ferramentas rígidas com múltiplas pastilhas
Ferramentas rígidas de múltiplas pastilhas (mandris de brunimen-to ou precidor brunimen-tools) utilizam pastilhas superabrasivas ligadas com me-tal brasadas sobre um corpo rígido de aço. O diâmetro de tais ferramen-tas é pré-ajustado para a remoção de material desejada, portanto, não são expansíveis no decorrer do processo de brunimento [17].
Ferramentas precidor são classificadas como não expansíveis de-vido ao fato de que ao longo do brunimento tal ferramenta permanece rígida. Todavia, a ferramenta fora de processo pode ser expandida al-guns micrometros para compensar os efeitos de desgaste dos grãos abra-sivos, sendo que tal expansão depende da capacidade de deformação de seu corpo [17]. A Figura 3.9 apresenta esquematicamente uma
ferra-menta precidor após expansão estática através da moviferra-mentação de um cone de avanço no interior de seu corpo.
Figura 3.9 - Ferramenta precidor expandida - baseado em [48] Estas ferramentas podem ser divididas em 3 partes, onde a pri-meira delas consiste de uma geometria cônica, e o motivo de sua exis-tência é o correto posicionamento da ferramenta no furo a ser brunido, ou seja, esta parte funciona como guia. Normalmente a primeira parte consiste de pastilhas de metal-duro semelhantes às pastilhas abrasivas. A segunda parte da ferramenta é ligeiramente cônica, é nesta parte em que se concentra a pastilha abrasiva, nesta parte é que efetivamente ocorre a remoção de material desejada. Por fim a terceira parte da ferramenta compreende uma região cilíndrica, esta região é responsável pela cali-bração do furo brunido [7, 21, 24]. A Figura 3.10 apresenta esquemati-camente uma ferramenta rígida de múltiplas pastilhas do tipo mandril para brunimento.
Figura 3.10 - Esquema de ferramenta rígida - baseado em [49] De maneira divergente das ferramentas convencionais de bruni-mento, nas quais existe a expansão radial das pastilhas de brunimento ao longo do processo a uma velocidade que é dependente da taxa de remo-ção de material ajustada pelo atuador que movimenta o cone de expan-são, nas ferramentas precidor para expandi-las é necessário deformar o corpo rígido da ferramenta ao longo da zona de corte. Rasgos
longitudi-nais estão presentes ao longo do corpo da ferramenta, como indicado na Figura 3.10, para facilitar a expansão da zona de corte da ferramenta [24].
Cabe salientar que, ao contrário dos demais tipos de ferramentas para brunimento, nos quais a expansão se dá pelo deslocamento radial das pastilhas de brunir, nas ferramentas precidor todo o seu corpo tem o diâmetro expandido (Wick e Veilleux apud [24]).
As qualidades dimensional e geométrica que podem ser obtidas com o uso destas ferramentas são bastante elevadas. No brunimento de furos cilíndricos de ferro fundido pode-se alcançar precisão dimensional e geométrica menor que 0,001mm. Tais ferramentas podem ser empre-gadas em combinação com processos de brunimento convencional ou em vários estágios com objetivo de se atingir condições de alto volume de material removido [50].
As pastilhas de brunimento empregadas em ferramentas precidor apresentam elevado tempo de vida, atingindo-se mais de 100.000 furos brunidos antes de sua substituição [17, 51].
Neste processo de brunimento, o conjunto brunidor é inicialmente guiado pelo furo, porém, a partir do momento que ele penetra o suficien-te, o furo passa a ser guiado pelo conjunto brunidor. Em decorrência deste efeito uma condição inicial apropriada para o furo, assim como uma condição inicial apropriada da ferramenta são importantes critérios para definir o resultado de trabalho [52].
No processo de brunimento com este tipo construtivo de ferra-mentas emprega-se, geralmente, um processo de remoção de material em passe único (single pass honing).
Com relação aos parâmetros de processo, utilizando-se ferramen-tas precidor com grãos de diamante, a velocidade tangencial, vt, geral-mente empregada varia em uma faixa de 8 a 96 m/min. Já para a veloci-dades de avanço axial, va, geralmente emprega-se uma faixa que vai de 1 a 5 m/min. Quanto à quantidade de material removida, remoções no diâmetro de furos de 4 a 101 m são possíveis de serem atingidas [7, 16, 48, 501, 52, 53, 54, 55].
3.4 Cinemática do processo de brunimento de passe único
No brunimento de curso longo e passe único a ferramenta executa apenas dois movimentos no decorrer do processo: a rotação e o avanço axial, pois o avanço radial da pastilha é inexistente. A velocidade de corte, vc, que tem origem na composição destes movimentos pode ser decomposta nas componentes axial, va, e tangencial, vt, decorrentes de
