ERCIO MASSIRER JUNIOR

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS PGCEM ERCIO MASSIRER JUNIOR USINABILIDADE DE LIGAS DE FERRO FUNDIDO PARA APLICAÇÃO EM CABEÇOTES DE MOTOR ATRAVÉS DE ENSAIOS DE FURAÇÃO JOINVILLE-SC 2010

2 ERCIO MASSIRER JUNIOR USINABILIDADE DE LIGAS DE FERRO FUNDIDO PARA APLICAÇÃO EM CABEÇOTES DE MOTOR ATRAVÉS DE ENSAIOS DE FURAÇÃO. Dissertação apresentada para a obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas CCT. Orientador: Doutor Wilson Luiz Guesser JOINVILLE, SC 2010

3 USINABILIDADE DE LIGAS DE FERRO FUNDIDO PARA APLICAÇÃO EM CABEÇOTES DE MOTOR ATRAVÉS DE ENSAIOS DE FURAÇÃO por ERCIO MASSIRER JUNIOR Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS área de concentração em Metais, e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA.

4 FICHA CATALOGRÁFICA M417u Massirer Junior, Ercio. Usinabilidade de Ligas de Ferro Fundido para Aplicação em Cabeçotes de Motor Através de Ensaios de Furação / Ercio Massirer Junior; Orientador: Wilson Luiz Guesser 76 f.: il ; 30cm Incluem referências. Dissertação (mestrado) Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, Luiz. 1. Metais 2. Usinagem Ferro Fundido. Guesser, Wilson CDD

5 AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Wilson Luiz Guesser, pelas orientações e também por todas as condições necessárias à realização do presente trabalho. Ao Prof. Dr. Lourival Boehs pela disponibilidade da infra-estrutura na UFSC para realização dos experimentos. À Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC e ao Programa de Pósgraduação em Ciência e Engenharia de Materiais PGCEM pela realização do presente trabalho. À Empresa Tupy S. A. pelo fornecimento dos corpos de prova e equipamento para a realização dos ensaios. Ao Técnico em Mecânica, Hélio Irineu José por todo o suporte oferecido durante a realização dos ensaios na UFSC. Ao Técnico da Qualidade, Gerson Arnoldo Alves, ao Auditor da Qualidade Interna, Vasco Eduardo Besen e ao Técnico de Fabricação, Sandro Rodrigo da Silva pelo apoio na execução dos experimentos na área fabril da Usinagem da Tupy S.A. Ao Técnico da Qualidade, Moacir José Bento pelo suporte para analisar as amostras no Laboratório de Ensaios Mecânicos da Tupy S. A. À minha esposa Geovania, pelo apoio incondicional durante todo o período dedicado para a realização deste trabalho.

6 SUMÁRIO SUMÁRIO... VI LISTA DE FIGURAS... VII LISTA DE TABELAS... IX RESUMO... X ABSTRACT... XI 1. INTRODUÇÃO CAPÍTULO 2. ESTUDO BIBLIOGRÁFICO FERRO FUNDIDO VERMICULAR PROCESSO DE FURAÇÃO FERRAMENTAS DE FURAR BROCAS HELICOIDAIS PARÂMETROS DE CORTE CRITÉRIOS DE USINABILIDADE MECANISMOS DE DESGASTE DAS FERRAMENTAS DE CORTE PROCESSO DE FORMAÇÃO DO CAVACO USINABILIDADE DE FERROS FUNDIDOS VERMICULARES FATORES INFLUENTES NA USINABILIDADE INFLUÊNCIA DA FORMA DA GRAFITA INFLUÊNCIA DA MATRIZ (PERCENTUAL DE PERLITA E DUREZA) INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS QUÍMICOS CAPÍTULO 3. MÉTODOS EXPERIMENTAIS VARIÁVEIS ESTUDADAS DETALHES EXPERIMENTAIS CORPOS DE PROVA MATERIAIS UTILIZADOS COMPOSIÇÃO QUÍMICA ANÁLISE MICROESTRUTURAL DETERMINAÇÃO DA DUREZA DETERMINAÇÃO DA MICRODUREZA RESISTÊNCIA MECÂNICA FERRAMENTAS UTILIZADAS CRITÉRIO DE FIM DE VIDA ENSAIOS DE USINAGEM MEDIÇÃO DE FORÇAS DE USINAGEM MEDIÇÃO DO DESGASTE DE FERRAMENTA MEDIÇÃO DOS ERROS DE FORMA CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES VIDA DA FERRAMENTA (VB MAX ) FORÇA DE AVANÇO E MOMENTO TORÇOR FORMAÇÃO DE REBARBA RUGOSIDADE CILINDRICIDADE RETILINEIDADE DISCUSSÃO GERAL CAPÍTULO 5. CONCLUSÃO GERAL CAPÍTULO 6. SUGESTÕES PARA NOVOS TRABALHOS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 73

7 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Matriz perlítica do ferro fundido vermicular a) 400 vezes de aumento; b) 1000 vezes de aumento...14 Figura 2.2 a) Grafita lamelar (fofo cinzento); b) Grafita nodular (fofo nodular); c) Grafita vermicular (fofo vermicular)...15 Figura 2.3 Partes de uma broca helicoidal...19 Figura 2.4 Comparação entre uma broca helicoidal e uma ferramenta de torneamento...19 Figura 2.5 Gumes de uma broca helicoidal...20 Figura 2.6 Afiações especiais de ponta para reduzir a influência do gume transversal: a) afiação da ponta e b) afiação cruzada...21 Figura 2.7 Principais ângulos em brocas helicoidais...22 Figura 2.8 Revestimentos PVD sobre metal duro: a) TiAlN monocamada; b) TiAlN multicamada...24 Figura 2.9 Revestimento por PVD de TiAlN e WC/C sobre substrato de metal-duro...25 Figura 2.10 Tipos de Desgaste: a) Flanco; b) Guias; c) Cratera; d) Lascamento...27 Figura 2.11 Mecanismos de desgaste de uma ferramenta de corte...30 Figura 2.12 Processo de formação do cavaco em aço. Deformação intensa e fratura do cavaco...31 Figura 2.13 Formação do cavaco e ruptura em ferros fundidos cinzento (a), vermicular (b) e nodular (c)...32 Figura 2.14 Resultados de usinagem de blocos de motores em linhas contínuas,,,,,,,,,,,,,33 Figura 2.15 Desgaste da ferramenta na usinagem de ferros fundidos perlíticos empregados para a produção de blocos de motores. Ensaios de furação...33 Figura a) Propagação de trincas na grafita lamelar do ferro cinzento; b) Dificuldade da propagação de trincas nas grafitas vermiculares devido à sua forma...35 Figura 2.17 A influência da forma da grafita na vida da ferramenta no torneamento com ferramenta de PCBN (Vc =800 m/min)...36 Figura 2.18 Resultados de ensaio de furação em ferros fundidos vermiculares. Velocidade de corte = 80 m/min, brocas de metal-duro revestidas de TiAlN...38 Figura 2.19 Efeito de teores crescentes de titânio sobre a usinabilidade de ferros fundidos vermiculares ferríticos, comparativamente a outros ferros fundidos...40 Figura 2.20 Carbonetos intercelulares em ferro fundido vermicular...41

8 Figura 3.1 Corpo de prova para testes de vida de ferramenta...43 Figura 3.2 Esquema do corpo de prova para testes de força de avanço e momento torçor...44 Figura 3.3 Micrografia do FV350 (a), FV450 (b) e FC300 (c). Ataque com nital 3% e 100x de aumento...45 Figura 3.4 Micrografia da presença de sulfeto de manganês no FC x (a) e 500x (b). Sem ataque...46 Figura 3.5 Desenho da ferramenta utilizada nos testes...49 Figura 3.6 Representação esquemática dos nanocristais do revestimento...49 Figura 3.7 Foto do sistema de fixação dos corpos de prova...51 Figura 3.8 Máquina-ferramenta utilizada nos ensaios de furação (a); mesa da máquina (b)...52 Figura 3.9 Esquema da bancada utilizada para medição de força...52 Figura 3.10 Tela de trabalho do software LabView para aquisição de sinais...53 Figura 3.11 Ilustração do sistema de aquisição de fotos...54 Figura 3.12 Forma de medição do desgaste de flanco máximo (VBmax = A - B) [mm].54 Figura 4.1 Curvas de desgaste de ferramenta para Vc 60 m/min...57 Figura 4.2 Quantidade de furos para VB = 0,2 mm...58 Figura 4.3 Região de desgaste da ferramenta...59 Figura 4.4 Valores de força de avanço para Vc = 80 m/min...60 Figura 4.5 Valores de momento torçor para Vc=80 m/min...61 Figura 4.6 Valores de altura de rebarba nos furos para ferramentas no início de vida...62 Figura 4.7 Valores de altura de rebarba nos furos para ferramentas no final de vida...63 Figura 4.8 Rebarba formada por ferramenta em final de vida. Vc = 120 m/min...63 Figura 4.9 Valores de rugosidade Ra para velocidade de 80 m/min...64 Figura 4.10 Valores de rugosidade Ra para velocidade de 120 m/min...65 Figura 4.11 Valores de rugosidade Rz para velocidade de 80 m/min...66 Figura 4.12 Valores de rugosidade Rz para velocidade de 120 m/min...66 Figura 4.13 Valores de cilindricidade para velocidade de 80 m/min...67 Figura 4.14 Valores de cilindricidade para velocidade de 120 m/min...68 Figura 4.15 Valores de retilineidade para velocidade de 80 m/min...69 Figura 4.16 Valores de retilineidade para velocidade de 120 m/min...69

9 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Exemplos de Valores de Propriedades Mecânicas de Ferros Fundidos com Matriz Perlítica...16 Tabela 2.2 Intervalos típicos de composição química para nodularidade de 0 a 20%...16 Tabela 2.3 Propriedades Físicas e Mecânicas do Ferro Vermicular com 10% de nodularidade à temperatura de 25ºC contendo em sua estrutura 70 e 100% de perlita...37 Tabela 3.1 Composição química dos materiais estudados...44 Tabela 3.2 Análise microestrutural dos materiais estudados...45 Tabela 3.3 Valores de dureza para os materiais estudados...46 Tabela 3.4 Valores de microdureza para os materiais estudados...47 Tabela 3.5 Valores de resistência mecânica dos materiais estudados...48 Tabela 3.6 Parâmetros de corte para os ensaios de usinagem...50

10 RESUMO MASSIRER JUNIOR, Ercio. Usinabilidade de Ligas de Ferro Fundido para Aplicação em Cabeçotes de Motor Através de Ensaios de Furação f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais Área: Metais) Universidade do Estado de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, Nos últimos anos o ferro fundido vermicular tem conquistado um crescente espaço na indústria automobilística. Destina-se à fabricação de diversas peças automotivas, tais como discos de freio, coletores de escapamento e, principalmente, cabeçotes e blocos para motores. Sua maior resistência mecânica, em relação ao ferro fundido cinzento, possibilita a fabricação de motores com maiores pressões na câmara de combustão, portanto, mais eficientes e menos poluentes. Motores mais leves podem ser fabricados, em função das menores espessuras de parede necessárias. Por outro lado, o ferro fundido vermicular traz consigo desafios tecnológicos tanto para a obtenção da peça fundida quanto para a usinagem, uma vez que, normalmente, provoca redução da vida das ferramentas de usinagem. O presente trabalho objetiva pesquisar a usinabilidade de diferentes composições a fim de obter uma liga que possa ser utilizada como uma alternativa viável para a fabricação de cabeçotes de motor. O trabalho consiste, fundamentalmente, na avaliação da usinabilidade de três ligas de ferro fundido, sendo o vermicular da classe 450, da classe 350 e o cinzento da classe 300, e para tanto foram utilizados ensaios de furação de longa duração. Como critério de usinabilidade considerado foi utilizado o desgaste da ferramenta. Palavras-chave: Ferro fundido vermicular. Furaçã. Usinabilidade. Desgaste de ferramenta.

11 ABSTRACT MASSIRER JUNIOR, Ercio. Machinability of Cast Iron Alloys for Application in Cylinder Heads Using Drilling Tests p. Dissertation (Master Course in Science and Materials Engineering Area: Metals) Santa Catarina State University, PostGraduation in Science and Materials Engineering, Joinville, During the last years the Compacted Graphite Iron CGI has acquired a growing place in the automobilist industry. It is used to manufacture several automotive parts, such as disk brakes, exhaust manifolds and, mainly, engine cylinder heads and blocks. Its higher strength, compared to grey cast iron, makes possible the manufacturing of cylinder blocks with higher pressure in the combustion chamber, therefore, more efficient and less pollutant. Lighter engines can be manufactured because of the thinner walls required. On the other hand, the Compacted Graphite Iron brings technological challenges for obtaining cast parts and also to machine them, because they normally reduce the tool lives during machining. This work s objective is to research the machinability of different compositions in order to obtain and alloy that can be used as a feasible alternative for manufacturing cylinder heads. The work consists, fundamentally, in the machinability evaluation of three cast iron alloys, Compacted Graphite Iron classes 450 and 350, and Grey Cast Iron class 300, through drilling tests. The machinability criterion used is the tool wear. Key words: Compacted Graphite Iron. Drilling. Machinability. Tool wear.