Influência da régua de apoio revestida com TiN na circularidade de eixos retificados pelo processo centerless

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Na retificação centerless de mergulho do corpo de um eixo excêntrico de compressores herméticos, a existência do desbalanceamento causado pelo contrapeso, bem como a existência de canais de lubrifi cação e, principalmente, o uso de réguas de apoio demasiadamente desgastadas ou com a pastilha de metal duro com rugosidade inadequada (alto coefi ciente de atrito) causam problemas de circularidade da peça. Isto leva a uma grande difi culdade de ajuste do equipamento, desde a determinação da altura de régua de apoio, até questões de projeto, como o próprio desenho do sistema de apoio. O nitreto de titânio (TiN) é uma cerâmica utilizada sob a forma de fi lme de revestimento muito fi no que, depositada sobre superfícies metálicas, garante excelente resistência à corrosão, baixo coefi ciente de atrito, elevadíssima dureza e grande resistência ao desgaste. Neste sentido, este trabalho apresenta a avaliação da usinagem centerless de eixos excêntricos de compressores herméticos, utilizando a técnica de revestimento das pastilhas de metal duro das réguas de apoio com TiN.

L. J. Arantes, R. B. Silva e M. B. Silva

Data: 05/04/2017

Edição: MM Fevereiro 2017 - Ano 53 - N^o 613

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A operação de retificação centerless é utilizada para produção rápida e de elevada precisão. É recomendada quando se trabalha com lotes e curtos tempos de set-up quando comparados aos demais tempos de usinagem. Pequenas buchas e agulhas, por exemplo, são típicos componentes com tolerâncias apertadas que são usinados em retificadoras centerless de passagem.

Sabe-se que não são necessários grandes lotes para se obter baixo custo. Os tempos de set-up podem ser reduzidos com a utilização de dispositivos apropriados. Uma vantagem da retificação centerless é a não necessidade de furos de centro para a localização e centragem da peça. O procedimento de centragem durante esta operação é promovido pela superfície recém-usinada (autocentragem). Isto elimina ao menos uma operação de produção e diminui custos. A operação também reduz os erros de forma, principalmente os erros de circularidade comuns nos furos de centro. Outra vantagem é que a peça não precisa ser “pinçada” ou presa por outro dispositivo de fixação. Isso reduz o tempo ciclo e a exatidão da peça é melhorada, pois os dispositivos de fixação em geral apresentam-se como fontes de erros^[6].

A gama de peças e materiais produzidos por retificação centerless é vasta. Os exemplos mais comuns incluem barras circulares de aço; agulhas de aço inoxidável; pistas de rolamentos; hastes de vidro; hastes plásticas; barras de urânio; eixos de aço; eixos excêntricos (ferro fundido cinzento, nodular e vermicular), pistões Fe-C sinterizados; buchas Fe-C sinterizadas; válvulas pneumáticas etc. Na figura 1 são apresentados os elementos básicos do sistema de retificação centerless, constituído por rebolo de corte, rebolo de arraste e régua de apoio (1a) e um esquema de uma retificadora centerless (1b).

A operação de retificação centerless é empregada em situações nas quais se deseja uma limpeza rápida da superfície da peça como também para desbaste e acabamento. As regiões a serem retificadas por esta operação devem possuir formato cilíndrico (interno e externo) e uniforme. A máquina-ferramenta pode ser alimentada por dispositivo de vibração (barril vibratório) ou outros sistemas, tais como robôs, alimentadores pneumáticos ou hidráulicos. Isso significa que a retificação pode operar com o mínimo de supervisão^[6].

Como em qualquer processo de usinagem, na retificação também são encontrados problemas que afetam a qualidade da peça usinada. Na retificação, alguns dos principais problemas são: ferramentas de corte são pobres como condutoras de calor; emprego de velocidades do rebolo muito altas; empastamento do rebolo e dificuldade do fluido de chegar à zona de corte. Como os materiais usinados por este processo possuem dureza elevada, comparados aos aços comuns ao carbono, é muito comum, devido às peculiaridades das operações de retificação, a ocorrência de queima da superfície da peça, peças com elevados erros de forma e trincas na superfície, além de quebras do rebolo, dentre outros.

O nitreto de titânio é um composto cerâmico formado por átomos de titânio e nitrogênio. A fase mais comum de nitreto de titânio é com composição estequiométrica TiN. Este tipo de recobrimento geralmente é aplicado por meio de uma técnica utilizada geralmente sob a forma de filme de revestimento muito fino. Ele é depositado em alto e permite proteger peças e ferramentas metálicas, geralmente, garantindo à superfície uma excelente resistência à corrosão, baixo coeficiente de atrito, elevadíssima dureza e grande resistência ao desgaste^[9].

Os filmes de TiN foram desenvolvidos inicialmente para aplicação como revestimento em ferramentas de corte a fim de melhorar as propriedades superficiais como dureza, resistência à corrosão, resistência do desgaste e, por consequência, prolongar a vida dessas ferramentas^[2].

Estes revestimentos também apresentam as seguintes características: minimização de paradas de máquina, diminuição de custos de manutenção, ganhos de produtividade, melhor acabamento do produto, diminuição ou eliminação de fluidos refrigerantes, baixo coeficiente de atrito, alta estabilidade térmica e química e tratamento sem modificação de estrutura. As aplicações recomendadas são: corte de aço (matriz de estampagem, guilhotina etc), puncionamento e conformação (em trabalhos com materiais de baixo teor de dureza), moldes para a modelagem por injeção de plásticos, êmbolos mergulhadores de bombas de injeção de combustível, instrumentos médicos etc^[7].

Um dos métodos de aplicação de filmes de TiN é o PVD, realizado a vácuo e a temperaturas que variam na ordem de 150°C a 500°C. O material de revestimento sólido de alta pureza (metais como titânio, cromo e alumínio) pode ser evaporado pelo calor ou então bombardeado com íons (pulverização catódica). Ao mesmo tempo, é introduzido um gás reativo (por exemplo, nitrogênio ou um gás que contenha carbono), formando um composto com o vapor metálico que se deposita nas ferramentas ou nos componentes na forma de um revestimento fino e altamente aderente.

Para atingir uma espessura de revestimento uniforme, as peças devem girar várias vezes a uma velocidade constante. As propriedades do revestimento (como dureza, estrutura, resistência química e resistência à temperatura, aderência) podem ser, desta forma, controladas com rigor. Os processos PVD contemplam evaporação por arco voltaico, pulverização catódica, galvanização iônica e pulverização iônica incrementada^[7].

A figura 2a apresenta uma régua de apoio típica para operações de retificação centerless, cujo ângulo de apoio γ pode variar de 0° a 45°, mas, na prática industrial, esse valor geralmente encontra-se em torno de 30°. Cabe a ela suportar a pressão causada pelos rebolos de corte e arraste sobre a peça. A fi gura 2b ilustra esquematicamente a disposição da peça a ser retificada ao ser apoiada na régua. A régua de apoio é constituída de materiais diferentes. A base é de aço-carbono e a pastilha (região de trabalho, em que o eixo fica apoiado) é de metal duro, diamante ou cerâmica. No caso deste trabalho, a pastilha é de metal duro. Quanto ao acabamento, a base é usinada e a pastilha retificada, conforme indicado no desenho da régua (figura 3).

É importante ressaltar que a tolerância de circularidade deve estar dentro da especificação de projeto, que pode variar entre 3 e 4 µm, dependendo do modelo e diâmetro do corpo do eixo, mas pode apresentar perfil não apropriado. Eixos com circularidade 2,5 µm, por exemplo, podem apresentar um perfil “estrelado”, ou em formato de engrenagem (figura 4). Esta configuração pode ser extremamente prejudicial ao compressor, gerando desgaste prematuro da camada de fosfato mangânico e reduzindo sua eficiência, uma vez que a folga entre eixo e mancal deve ser bem pequena. Como se trata de um mancal hidrodinâmico, é necessária a presença de certo filme de óleo entre as partes “atritantes”^[5], este tipo de perfil deve sempre ser evitado e muitas vezes suas causas não são claras, podendo ser atribuídas a vários parâmetros de set-up, desde ângulo de régua, material da pastilha, qualidade da retificação da pastilha, tipo de fluido lubrificante/refrigerante e, principalmente, altura da régua de apoio^[3,8].

Metodologia

Os ensaios foram realizados em uma retificadora centerless de mergulho, da fabricante Mikrosa, modelo Kronos. O rebolo abrasivo era de carbeto de silício (SiC) com ligante vitrificado e o rebolo de arraste, de borracha. Duas réguas foram preparadas especialmente para este teste, ambas retificadas e com mesmo material e dimensões. Uma sem revestimento, como é utilizada usualmente na indústria, e a outra com revestimento de TiN. O revestimento da segunda régua foi realizado pelo processamento PVD (deposição física a vapor), sob vácuo e a temperatura de 380°C (figura 5). Para cada régua foram retificadas 30 peças em sequência e no mesmo equipamento.

Os corpos de prova utilizados na retificação são eixos excêntricos conforme geometria apresentada na figura 6. O eixo é composto de excêntrico, contrapeso e corpo, sendo este subdividido em mancal principal, corpo rebaixado e mancal secundário. O material do eixo excêntrico é ferro fundido cinzento lamelar com o mínimo de 90% de perlita e dureza na faixa de 180-280 HB. Ele apresenta resistência a tração mínima de 250MPa.

A velocidade do rebolo (v_s) utilizada foi de 45 m/s com tempo do ciclo de 11 s. A velocidade de avanço foi variável, de acordo com a etapa da operação de retificação. O processo é dividido em três etapas – desbaste, pré-acabamento e acabamento – e cada uma tem velocidade de avanço específica. No desbaste, a velocidade de avanço (v_w) foi igual a 6 mm/min, no pré-acabamento, igual a 1,5 mm/min e, no acabamento, igual a 0,14 mm/min.

Para as amostras obtidas, o corpo do eixo foi dividido em quatro seções para as medições de circularidade, conforme apresentado na figura 7. Os perfis de circularidade, bem como seus valores nominais, foram obtidos via circularímetro Talyrond 300, da Taylor Hobson (resolução de 0,01 µm). Os resultados foram submetidos a teste de hipótese t de Student, com 95% de confiança (α = 0,05). Para a determinação do número de lóbulos (irregularidades), foi realizada contagem manual uma por uma, e escolhido o perfil que melhor representasse a maioria dos perfis encontrados.

Análise e discussão dos resultados

Os resultados da influência do filme de TiN na régua de apoio e nos erros de circularidade são apresentados na tabela 2 e na forma gráfica (figura 8). Após a aplicação do teste de hipótese t de Student, todas as seções medidas apresentaram significância estatística, indicando, portanto, que a utilização de régua de apoio com revestimento antiatrito exerce influência no erro de circularidade da peça. Este efeito é provavelmente proporcionado pelo fato de que o fino filme de nitreto de titânio, ao reduzir o coeficiente de atrito da régua de apoio, reduz as forças tangenciais provocadas pela frenagem do eixo sobre a régua, garantindo uma rotação mais suave e, por consequência, menor vibração do sistema rebolo de arraste, eixo, rebolo de corte e régua.

As maiores diferenças foram obtidas nas seções 3 e 4, notoriamente as mais importantes para o bom funcionamento de um compressor hermético, pois são nessas seções que as maiores cargas são aplicadas, tanto quando o pistão se encontra no ponto morto superior, quando no ponto morto inferior. Qualquer aumento no desvio de circularidade e cilindricidade nessa região pode potencializar o desgaste do eixo, liberando gradualmente pequenos cavacos nocivos às partes móveis do compressor, assim como elevar as folgas do par tribológico eixo-furo do mancal, retroalimentando o sistema de desgaste^[5].

A figura 9 apresenta os resultados da influência da régua de apoio sem e com revestimento de TiN no perfil de circularidade e no número de ondulações deste perfil. Destes resultados pode ser observado que a operação de retificação com régua revestida com TiN não ocasionou sensível modificação na morfologia do perfil de circularidade.

As figuras 10 e 11 apresentam fotografias das superfícies das pastilhas de metal duro das réguas de apoio após a retificação de 900 eixos excêntricos. Ficou evidenciado o desgaste incomum das réguas revestidas, com grandes regiões com desplacamento do fi no fi lme de TiN, e outras regiões com sinais de possível desgaste abrasivo. Após a retificação de mesmo número de eixos, o comum é a evidência de nenhum sinal de desgaste.

Essas regiões desgastadas ou com desplacamento causam aumento do coeficiente de atrito e instabilidade no apoio do eixo sobre a régua, situação desfavorável ao bom andamento do processo de retificação, o que acaba gerando peças com desvios de circularidades maiores. Portanto, o aumento da eficiência do processo com a régua revestida só ocorre até um determinado número de peças retificadas, quando o desplacamento do filme de TiN parece provocar queda sensível de qualidade do processo.

Conclusão

Considerando as condições testadas, pode-se concluir que:

• A régua com filme de TiN produziu, em média, peças com erros de circularidade menores do que a régua de apoio sem filme de TiN, representando uma queda de aproximadamente 25% nos seus valores;
• Houve desgaste prematuro do filme de TiN, com visível desplacamento em algumas regiões;
• A régua de apoio (Kronos) com revestimento produziu 900 peças dentro da especificação. As peças a seguir não mais atenderam aos valores de circularidade.

Referências

1. Arantes, L. J.; Pereira, I.; Silva, R. B.; Silva, M. B.; Machado, A. R.: Um estudo de caso sobre a operação de retificação centerless. VII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, São Luís, Maranhão, 2012.
2. Daudt, N. F.: Influência dos parâmetros de processo de deposição de nitreto de titânio por plasma em gaiola catódica. Dissertação de mestrado, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2012.
3. Fusse, R. Y.; Bianchi, E. C.; França, T. V.; Catai, R. E.; Silva, L. R.; Aguiar, P. R.: Erros geométricos na retificação do aço SAE HVN-3. Revista Máquinas & Metais, Aranda Editora, ano XL, nº 464, p. 150-163, setembro, 2004.
4. Gonçalves Neto, L. M.; Funes Júnior, H.; Gonçalves, R. M.; Bianchi, E. C.: Análise do erro de circularidade de peças submetidas a rotações críticas durante o processo de retificação centerless. Caxias do Sul, RS, 11 a 15 de abril de 2011.
5. Krueger, M.; Lilie, D. E. B.: Friction losses measurements on a reciprocating compressor mechanism. Engineering Report, CDM, Embraco S. A, Joinville, SC, 1990.
6. Marinescu, I. D.; Hitchiner, M.; Uhlmann, E.; Rowe, W. B.; Inosaki, I.: Handbook of machining with grinding wheels. CRC Press, 596 p., 2007.
7. Oerlikon Balzers: Disponível em http://www.oerlikon.com/balzers/en/applications/cutting acesso em 23 de dezembro de 2013.
8. Oliveira, J. F. G.: Tópicos avançados sobre o processo de retificação. São Carlos, 94 p., apostila da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 1989.
9. Peng, Z.; Miao H.; Qi, L.; Yang, S.; Liu, C.: Hard and wearresistant titanium nitride coatings for cemented carbide cutting tools by pulsed high energy density plasma. Acta Materialia Inc., 2003.