Qualidade superficial do FoFo vermicular FV450, após retificação plana tangencial

A retificação normalmente é uma opção de usinagem, nos casos em que são exigidas elevadas precisões dimensional e geométrica, além de um excelente acabamento superficial, a exemplo dos blocos e cabeçotes de motores. Este trabalho apresenta os resultados de ensaios realizados em amostras de ferro fundido vermicular, após uma retificação plana com rebolo de carbeto de silício.

Mariana Landim Silveira Lima, José Renato Santos do Amaral Cardoso, Rosemar Batista da Silva, Luciano José Arantes, Antonio Vitor de Mello, Fabio Martinho Cezar de Freitas

Data: 01/09/2017

Edição: FS Setembro 2017 - Ano 27 - N^o 295

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Fig. 1 – Grandezas físicas na retificação plana tangencial

Em geral, o processo de retificação é a última etapa da produção de uma peça, de modo que qualquer desconformidade pode significar a perda do produto e gerar grandes prejuízos.

No entanto, ainda há poucos estudos que avaliam de maneira estatística as relações entre os parâmetros de corte e os resultados desejados, pois são muitas as variáveis envolvidas neste ciclo e os ensaios experimentais demandam tempo. Ademais, na maioria das vezes eles são mais onerosos que os processos convencionais de usinagem, com a ferramenta de geometria definida.
Dessa forma, torna-se necessário identificar as variáveis do processo que mais afetam a integridade da superfície e os desvios dimensionais das peças. Assim, um trabalho investigativo nesta área é de grande importância.
As principais grandezas físicas envolvidas nas operações de retificação plana tangencial são apresentadas a seguir e ilustradas na figura 1:

vs = velocidade periférica do rebolo (m/s)
vw = velocidade periférica da peça (mm/s ou m/min)
ap = profundidade de usinagem (mm)
ae = penetração de trabalho (mm)
lc = comprimento de contato rebolo/peça (mm)
Heq = espessura de corte equivalente ou espessura da camada de material arrancado pelo rebolo (mm)

Fig.2 – Materiais fabricados em ferro fundido vermicular: bloco de motor a diesel (a); coletor de escapamento (b); disco de freio (c) e cabeçote (d)

No que se refere à penetração de trabalho, quando ela aumenta, provoca um acréscimo no número de grãos ativos e no tempo de contato. Isso faz com que cada grão abrasivo remova uma quantidade menor de material, resultando em cavacos mais alongados e finos.
Ressalta-se que há uma maior parcela de atrito e riscamento, desde o início da formação do cavaco até a sua expulsão, o que eleva a temperatura na região de corte e, consequentemente, deteriora o acabamento.
Embora a maioria dos trabalhos aborde a retificação de aços, ainda são poucos os estudos que tratam dos ferros fundidos. Estes são os principais materiais utilizados na fabricação de componentes de motores de combustão interna, como blocos, cabeçotes, eixos de comando de válvula e virabrequins.
Suas propriedades mecânicas são definidas pela microestrutura, mais precisamente pela forma em que o carbono encontra-se combinado.
O ferro fundido é definido como uma liga terciária de ferrocarbonosilício, com teores de carbono geralmente acima de 2%, em quantidade superior ao que pode ser retido em solução sólida na austenita.
Além disso, o carbono resultante pode se apresentar parcialmente livre, na forma de veios ou então em lamelas de grafita.
A maioria dos ferros fundidos contém silício, entre 1% e 3%, e enxofre, podendo ou não apresentar outros elementos de liga.
Até a década de 1990, os ferros fundidos eram divididos em quatro classes: cinzento, maleável, gosidade e as imagens da superfície de amostras de ferro fundido verbranco e nodular.
A partir de 1999, uma nova classe começou a ser produzida: o ferro fundido vermicular.
Ele vem ganhando cada vez mais espaço na indústria automobilística, sendo atualmente utilizado na produção de blocos de motores, discos de freio, cabeçotes de cilindros e coletores de escapamento (figura 2).
Nos ferros fundidos vermiculares, a grafita apresenta-se predominantemente na forma de vermes, sendo interconectada com as extremidades arredondadas na forma de nódulos. Isso confere ao material uma boa resistência mecânica, tenacidade, resistência à fadiga, amortecimento e condutividade térmica.
O ferro fundido vermicular reúne propriedades intermediárias em relação ao ferro fundido cinzento e nodular (tabela 1), tendo mais vantagem em relação ao primeiro, com destaque para o aumento de 75% no limite de resistência, 40% no módulo de elasticidade e 80% na resistência à fadiga.
Nesse sentido, este trabalho apresenta os resultados da rugosidade e as imagens da superfície de amostras de ferro fundido vermicular, que foram retificadas com rebolo de carbeto de silício em várias condições de corte.
Ressalta-se que o acabamento superficial exerce um papel importante no comportamento dos componentes mecânicos, estando relacionado com a precisão de ajuste da máquina, condições de usinagem e tolerâncias de fabricação, que são especificadas de acordo com a aplicação da peça usinada.

Fig. 3 – Retificadora plana tangencial com o sistema rebolo-peça

Fig. 4 – Posicionamento do bocal com o fluido de corte

Assim, fica clara a importância de se identificar o acabamento que pode ser proporcionado em um material que ainda não conta com muitos dados de retificabilidade.

Materiais e métodos

Neste trabalho, foi usada uma retífica plana modelo P36, com 2.400 rpm, 3 HP e resolução no eixo Z de 5 μm (figura 3).
A ferramenta de corte utilizada foi um rebolo convencional de carbeto de silício (SiC), com especificação 39C46KVK (da Saint-Gobain Abrasivos) e as seguintes dimensões: 254 x 25 x 76 mm.
Foi selecionado o fluido de corte sintético de base vegetal ME-3, em solução aquosa na proporção de 1:20.
O bocal foi posicionado de forma tangente ao rebolo, a uma vazão de 545 L/h (figura 4).
A peça foi fabricada no ferro fundido vermicular FV450, em formato de barra retangular, com base quadrada e dimensões de 49 x 18 x 19 mm.
Na tabela 2, são apresentadas algumas das principais propriedades do ferro fundido vermicular.
Foram empregados os seguintes parâmetros de corte: velocidade periférica do rebolo (v_s) de 32 m/s, svelocidade longitudinal da peça (v_w) de 10 m/min, profundidade de wdressagem (a_d) de 10 μm, e dois dvalores de penetração de trabalho (a_e): 15 e 30 μm.
Foram realizados quatro ensaios, incluindo a réplica.
O critério para o fim de cada ensaio foi um volume de material removido de 55,86 mm³. As variáveis de saída utilizadas foram os parâmetros de rugosidade (R_a e R_z) e as imagens das superfícizes usinadas.
A medição dos parâmetros da rugosidade foi realizada com o auxílio de um rugosímetro portátil, modelo SJ201P (da Mitutoyo), com resolução de 0,01 μm.

Foram utilizados um comprimento de onda do filtro (cut-off) de 0,8 mm e um de avaliação de 4 mm.
As medições foram realizadas perpendicularmente à direção do avanço longitudinal da peça, sendo a primeira medição a 4,5 mm da aresta e as demais equidistantes de 10 mm, conforme a figura 5.
Após o processo de retificação, todas as amostras foram submetidas a procedimentos metalográficos, para verificar se houve danos na superfície. Elas foram devidamente limpas e preparadas para a avaliação das superfícies retificadas, a qual foi feita em um microscópio eletrônico de varredura.

Resultados e discussões

A seguir são apresentados os resultados da rugosidade e as análises realizadas das superfícies obtidas após a retificação do ferro fundido vermicular, em diferentes condições de corte.

Rugosidade

Os resultados médios para os parâmetros de amplitude, rugosidade aritmética (R_a) e rugosidade total (R_z), são apresentados nas figuras 6 e 7, respectivamente.
Estes valores foram obtidos após quatro passes, com penetração de 15 μm, ou dois passes, com 30 μm, totalizando 60 mm ao final de cada ensaio.

Na figura 6, nota-se que há um crescimento da rugosidade R_a, com a penetração de trabalho a_e. Essa etendência está relacionada com o aumento da espessura de corte equivalente, a qual é consequência direta do aumento da penetração de trabalho.
Isso implica em cavacos com dimensões maiores, os quais, com a progressão do corte, se agrupam e podem causar o empastamento do rebolo.
Sabe-se que dependendo da estrutura do rebolo, os seus poros não são capazes de alojá-los. Assim, o cavaco alojado no rebolo diminui a eficiência na retificação, aumenta os esforços de corte da ferramenta sobre a peça e, consequentemente, compromete a superfície retificada.

Fig. 5 – Regiões de medição da rugosidade na superfície da peça

Além disso, a penetração de trabalho possui relação direta com a área de contato entre a peça e o rebolo, ou seja, com o seu aumento, cresce também a área de contato e, consequentemente, as forças de corte, afetando ainda a qualidade da superfície retificada. Esta pode ter sido a causa da elevação de ambos os parâmetros de rugosidade estudados neste trabalho.
No entanto, mesmo com a elevação da rugosidade R , os valores aobtidos ficaram abaixo de 0,30 mm, os quais são bem inferiores ao limite máximo de R = 1,6 mm a(valor de referência usualmente adotado para processos de retificação de semiacabamento).
Estes valores indicam que as condições de corte empregadas nessa pesquisa (velocidade do rebolo, velocidade da peça, penetração de trabalho, rebolo e fluido de corte) foram adequadas para a retificação plana do ferro fundido vermicular FV 450.
Na figura 8, são apresentados os valores de rugosidade (R ) obtidos em acada uma das cinco posições em que o apalpador do rugosímetro foi colocado durante a medição, tanto para o ensaio principal quanto para a réplica, utilizando-se os dois valores de penetração de trabalho descritos anteriormente.
Nesta mesma figura, observa-se que nos ensaios principais, para cada penetração de trabalho, praticamente não houve diferença entre os valores de rugosidade obtidos. Entretanto, a diferença foi significativa para a réplica.

Fig. 6 – Valores médios da rugosidade R_a, obtidos com a avariação da penetração de trabalho

Fig. 7 – Valores médios da rugosidade R_z, obtidos com a zvariação da penetração de trabalho

O aumento da rugosidade entre os ensaios 1 e 2 pode ser atribuído à superfície do rebolo resultante da operação de dressagem realizada.
Não é tarefa fácil garantir a uniformidade das dimensões de um grão abrasivo, mesmo adotando um procedimento rigoroso de dressagem, pois de uma para outra pode-se variar o número de grãos expostos, assim como a quantidade de ligante que pode atritar com a peça.
A réplica de cada ensaio pode ter sofrido influência da dressagem e isso refletiu no acabamento da superfície em relação ao ensaio principal.

Análise da superfície usinada

Fig. 8 – Valores da rugosidade R_a, de acordoacom o posicionamento do rugosímetro

Na figura 9, são apresentadas as superfícies do ferro fundido vermicular retificadas para as diferentes condições de corte. Essas imagens se referem ao ensaio principal e réplica, para a menor penetração de trabalho.
Observa-se que as marcas de avanço dos grãos são semelhantes.
Nota-se também a presença de algumas áreas com deformações plásticas e de fluxo lateral de material, causado pelos abrasivos, mas que ainda assim não elevaram a rugosidade para valores acima de 1,6 mm.
Além disso, é importante ressaltar que não foram observadas trincas perpendiculares à superfície nas amostras, nem a presença de queimas de aspecto visual.
A figura 9 mostra ainda o ensaio principal e a réplica, para a maior penetração de trabalho.
De forma análoga para a menor penetração, as marcas de avanço nos dois ensaios são bem parecidas, com riscos visíveis ao longo da direção de avanço da ferramenta.
Ao comparar as duas imagens da figura 9 (cujas escalas são as mesmas) é possível observar que as marcas longitudinais nas superfícies das primeiras são mais largas e não apresentam a mesma continuidade, como aquelas após a usinagem com a menor penetração de trabalho.
Esta diferença já era esperada, pois à medida que se aumenta a penetração de trabalho na máquina-ferramenta, os grãos também penetram mais na peça, refletindo na rugosidade.
O parâmetro R foi mais sensível a zesta alteração, que detecta os vales mais profundos em todo o comprimento de amostragem selecionado.

Fig. 9 – Imagens em MEV das superfícies do ferro fundido vermicular FV450 após a retificação com o rebolo de SiC, em diferentes condições de corte

Conclusões

As seguintes conclusões podem ser tiradas deste trabalho:

Com o aumento da penetração de trabalho de 15 para 30 μm, os parâmetros de rugosidade R e R também a zaumentaram, conforme esperado.
Todos os valores de Ra obtidos foram menores que 1,6 μm e, portanto, ficaram dentro da faixa de rugosidade aceitável para o processo de retificação de semiacabamento.
No que se refere à superfície e topografia da peça, foram observadas regiões com deformações plásticas e fluxo lateral de material, causados pela passagem dos grãos. Porém, não foi observada a presença de trincas ou queimas de aspecto visual.