AVALIAÇÃO DOS FENÔMENOS, OPEN GRAIN E SIDE FLOW, NO TORNEAMENTO DE DISCOS DE FREIO

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1 AVALIAÇÃO DOS FENÔMENOS, OPEN GRAIN E SIDE FLOW, NO TORNEAMENTO DE DISCOS DE FREIO Ulisses Borges Souto Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Ulissesbs@globo.com Wisley Falco Sales Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais wisley@pucminas.br Sandro Cardoso Santos Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais sandro@pucminas.br Ernane Sales Palma Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais palma@pucminas.br Wilson Guesser Fundições TUPY, Joinville, SC, Brasil wguesser@tupy.com.br Ivo Baumer Fundições TUPY, Joinville, SC, Brasil Resumo. O objetivo deste trabalho foi verificar a influência do avanço na textura de superfícies torneadas de discos de freio. A análise da textura superficial foi feita com base na rugosidade média, na observação das superfícies em microscópio eletrônico de varredura, com o objetivo de identificar a presença do open grain e do side flow e na quantificação de cavidades presentes na superfície usinada. Observou-se o fluxo lateral de material (side flow) tornou-se mais influente com o aumento do avanço, sendo responsável inclusive por valores de rugosidade média menores que os teóricos para os maiores avanços adotados. Palavras-chave: open grain, side flow, acabamento superficial, ferro fundido. 1. INTRODUÇÃO A utilização de discos de freio em automóveis é uma tecnologia empregada e consagrada já há algumas décadas. Porém, com a necessidade sempre crescente de qualidade e produtividade, conhecer e entender a maioria dos fenômenos que ocorrem durante sua fabricação é de grande relevância, para que estas exigências sejam atendidas de maneira competitiva. Modernamente a indústria automobilística tem especificado ferros fundidos com valores crescentes de condutividade térmica, de modo a diminuir a temperatura em serviço do freio (disco/pastilha), em particular para discos de freio para caminhões. Isso é conseguido com o aumento da quantidade de grafita na microestrutura, já que essa é a fase importante para a condutividade térmica. Este aumento da quantidade de grafita é obtido pelo aumento do teor de carbono da liga, o que traz como conseqüência um aumento também do tamanho dos veios de

2 grafita. Como a grafita exposta na superfície de usinagem sofre fratura, a superfície então tende a apresentar cavidades típicas do fenômeno conhecido como open grain. Um aspecto negativo do surgimento de cavidades superficiais esta no fato que elas podem atuar como pontos de concentração de tensão e favorecer o aparecimento de trincas de origem mecânicas e/ou térmicas, diminuindo significativamente a vida útil do sistema de freio. Um outro fenômeno observado na usinagem de discos de freio de ferro fundido cinzento é o side flow. Este fenômeno aparece como um fluxo de material da superfície da amostra no sentido contrário ao do avanço. Este material deformado plasticamente tem a aparência de rebarbas. A superfície usinada do disco não pode ser muito rugosa, pois provocaria um desgaste prematuro das pastilhas além de uma perda de modulação e progressividade do esforço no pedal do freio mas, por outro lado, não podem ser lisas ou espelhadas por comprometer a capacidade de frenagem pela diminuição do atrito entre os componentes, portanto, a topografia gerada deve atender da melhor maneira às duas exigências simultaneamente. No chão-de-fábrica, esses fenômenos são uma realidade e representam um problema que deve ser resolvido pelos responsáveis pela fabricação. Mas a dinâmica em que eles estão envolvidos, não os permite que façam estudos detalhados sobre os fatores relevantes que determinam o surgimento do fenômeno. Para isso, tornou-se necessário utilizar metodologias científicas, embasadas teoricamente e acompanhadas por ensaios experimentais, o que se propõe realizar neste trabalho. Este tema é de grande importância para a indústria, não apenas para as que fabricam discos de freio, mas também para aquelas que trabalham com ferro fundido cinzento em outras aplicações. Para estes objetivos é que se direcionou a pesquisa, buscando aumentar e melhorar os conhecimentos e domínio das técnicas de fabricação (usinagem) de discos de freio de ferro fundido cinzento. 2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS A parte experimental deste trabalho consiste na usinagem das faces dos discos de freio que entram em contato com as pastilhas em um torno CNC Romi Centur 30D (Figura 1) e posterior análise de suas características. Figura 1. Discos de freio no processo de torneamento e o torno CNC Romi Centur 30D. As operações de usinagem usadas em discos de freio são torneamento e furação. O interesse específico deste trabalho está voltado para a operação de torneamento pois apenas esta determina as características finais das superfícies que participam da qualidade da frenagem Preparação Para a preparação dos discos, foi usado um torno convencional IMOR Oficina 420 e pastilhas de metal duro Sandvik classe K 10 Essa preparação se fez necessária em virtude do disco vir com elevada concentração de óxidos e erros de forma, originários do processo de fundição.

3 No diâmetro externo do disco foi retirado material para garantir o balanceamento da peça em altas rotações. No diâmetro interno também foi promovida a retirada destas camadas para que a superfície ficasse plana o suficiente para assegurar boa fixação na máquina-ferramenta. Nas pistas de frenagem a preocupação durante a usinagem de preparação foi a garantir o paralelismo desta com a superfície oposta, aquela que esta em contato com a placa do torno. Esta parte da preparação foi realizada no torno CNC ROMI, que também foi usado nos experimentos objetos deste trabalho. De um dos discos, foi retirado uma pequena amostra para que esta fosse levada ao microscópio ótico Neophot, capturada imagem e feita a metalografia no software de análise de imagens Quantkov. Os discos de freio foram produzidos em ferro fundido cinzento, com alto teor de carbono (3,75C 2,0Si), apresentando em sua microestrutura grafitas dos tipos A e C, com tamanhos 3 e 4 (Norma DIN). Corpos de prova retirados da peça apresentaram, em ensaio de penetração por cunha, Limite de Resistência de 210 Mpa e valores de dureza de 195 HB (superfície) e 180 (núcleo) Experimentos A usinagem de testes dos experimentos consistiu em varrer algumas faixas de avanço para a avaliação das condições em que as superfícies se encontrariam e principalmente se apareceriam as cavidades que caracterizam o open grain. As condições iniciais dos testes foram feitas fixando-se a velocidade e a profundidade e variando-se os avanços. A velocidade e a profundidade usadas foram baseadas principalmente no fato de serem estas comuns na industria quando se empregam ferramentas de metal duro para tornear discos de ferro fundido cinzento em operações de desbaste. Os valores dos parâmetros de corte empregados foram: v c =240 m/min; a p =1,5 mm; f= 0,03; 0,07; 0,10; 0,15, 0,20; 0,30; 0,40; 0,50 mm. A ferramenta de corte usada foi fabricada pela Sandvik, feita de metal duro revestido com Ti (C,N), Al 2 O 3 e TiN, classe K 10. A geometria empregada foi: ângulo de inclinação de 6º e ângulo de saída de 6º. A geometria é fornecida pelo suporte, mas como a ferramenta empregada tinha quebra cavaco, o ângulo de saída torna-se então ligeiramente positivo. As referências do fabricante para a ferramenta e suporte são WNMG KM 3005 K10 e MWLNR/R 2525M06 respectivamente. A máquina empregada para a usinagem foi o torno CNC Romi Centur 30 D Preparação dos Corpos para as Medições Após cada passe no torno, os discos eram retirados e levados para serem efetuadas as medições de rugosidade. Foram feitas marcações nos corpos de prova, conforme mostrado na Figura 2, para que as medições sempre seguissem o mesmo critério e coletassem medidas representativas. Essas marcações consistiram de seis raios, a 60º uns dos outros, com a finalidade de servir de referência para a utilização do rugosímetro. indicações para medir rugosidade Figura 2. Marcações nos discos para medições

4 Logo em seguida, o disco foi disposto em uma bancada para que pudessem ser feitas medições de rugosidade com um rugosímento Mitutoyo, modelo Surftest 211. O rugosímetro foi posicionado radialmente em cada um dos seis marcas ao longo da superfície usinada, obtendo assim seis valores de R a, segundo a Norma ISO 3685 [ISO 3685, 1977], para cada disco ou condição de corte. Utilizou-se cut-off de 0,8 mm e as medições foram realizadas na direção perpendicular às marcas de avanço, promovidas pelo movimento da ferramenta na superfície. O procedimento de Chauvenet foi empregado para excluir valores de R a discrepantes. Após a medição da rugosidade, foram retiradas amostras de sua superfície para serem levadas ao microscópio eletrônico de varredura. No MEV foram capturadas imagens do estado geral das superfícies geradas com aumentos de 150, 200, 350, 350 vezes com inclinação de 30º e algumas com magnitudes maiores para examinar certos detalhes. Essas imagens foram levadas para um software de análise de imagem Quantkov, no qual foram medidas as dimensões das cavidades, diâmetro equivalente médio, área média, percentual da área total da imagem ocupado e fator de forma. Foi usado o aumento intermediário de 200 vezes para a quantificação dessas imagens. O aumento de 350 vezes foi usado para uma observação mais próxima de alguma cavidade e o de 150 vezes para uma observação mais abrangente da superfície. Finalmente, a pastilha foi retirada do suporte e feita a medição do desgaste de flanco em microscópio ótico Carl Zeiss graduado com resolução de 0,001 mm. Como na maioria destes passes constatou-se a presença de desgaste superior a 0,1 mm, justificou-se que cada passe fosse feito com uma aresta de corte nova com o intuito de assegurar que um desgaste qualquer na pastilha não afetasse os resultados dos experimentos. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os valores médios do parâmetro de rugosidade R a são apresentados no gráfico da Figura 3, que mostra ainda os valores teóricos de R a. O ensaio realizado com avanço de 0,5 mm/rot. foi interrompido após a ferramenta apresentar falha catastrófica. 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 Ra medido Ra calculado 0,00 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 f (mm/rot) Figura 3. Comparativo do R a calculado com o R a medido As diferenças de valores entre os valores de R a medido e o R a calculado indicam a influência de outros fatores além do avanço na rugosidade da peça. Vibrações decorrentes de instabilidade da máquina-ferramenta podem contribuir para o aumento da rugosidade além dos valores teóricos (Machado e Silva, 1999), com foi evidenciando nos valores menores de avanço. O aumento no avanço provoca elevação dos valores das forças de usinagem, aumentando a tendência de ocorrer vibração. Observou-se, porém, que a curva de rugosidade medida apresentou taxas de crescimentos inferiores à da calculada, de modo que para valores elevados de avanço o R a medido passou a ser menor que o R a calculado. A justificativa para esse resultado está relacionada ao fato de o aumento do avanço aumentar a tendência de fluxo de material no sentido contrário ao

5 do avanço, fazendo com que as marcas de avanço e imperfeições na superfície sejam encobertas, gerando uma superfície com topografia mais suave. Pelas Figuras 4, 5, 6, 7, 8, 9, e 10, mostra-se como se encontravam as superfícies logo após serem usinadas. Nessas superfícies são claras as marcas de avanço e as cavidades geradas e, nas duas últimas imagens, o aparecimento do side flow. As Figuras representam os avanços 0,03; 0,07; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3 e 0,4 mm/rot. respectivamente. O aumento mostrado foi de 200 vezes. Após cada Figura, é mostrado o resultado da quantificação de alguns dados no software de análise de imagens Quantkov. Para as condições de corte v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,03 mm/rot., a Figura 4 mostra Figura 4. v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,03 mm/rot. Maior largura: 0,2179 mm Diâmetro equivalente médio: 5,3621 x 10-2 mm Fator de forma: 0,56 Área média das cavidades: 2,5150 x 10-3 mm 2 Maior área de cavidade: 7,7175 x 10-3 mm 2 Percentual ocupado da área total da imagem: 5,44% Para as condições de corte v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,07 mm/rot., a Figura 5 mostra Figura 5. v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,07 mm/rot.

6 Maior largura: 0,2498 mm Diâmetro equivalente médio: 6,9644 x 10-2 mm Fator de forma: 0,36 Área média das cavidades: 4,5597 x 10-3 mm 2 Maior área de cavidade: 1,6861 x 10-2 mm 2 Percentual ocupado da área total da imagem: 11,15% Para as condições de corte v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,1 mm/rot., a Figura 6 mostra Figura 6. v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,1 mm/rot. Maior largura: 0,1792 mm Diâmetro equivalente médio: 3,1058 x 10-2 mm Fator de forma: 0,58 Área média das cavidades: 9,689 x 10-4 mm 2 Maior área de cavidade: 3,6531 x 10-3 mm 2 Percentual ocupado da área total da imagem: 2,97% Para as condições de corte v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,15 mm/rot., a Figura 7 mostra Maior largura: 0,3859 mm Figura 7. v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,15 mm/rot.

7 Diâmetro equivalente médio: 1,1643 x 10-1 mm Fator de forma: 0,37 Área média das cavidades: 1,3080 x 10-2 mm 2 Maior área de cavidade: 5,5070 x 10-2 mm 2 Percentual ocupado da área total da imagem: 18,74% Para as condições de corte v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,2 mm/rot., a Figura 8 mostra Figura 8. v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,2 mm/rot. Maior largura: 0,2810 mm Diâmetro equivalente médio: 9,5647 x 10-2 mm Fator de forma: 0,35 Área média das cavidades: 8,1717 x 10-3 mm 2 Maior área de cavidade: 2,2076 x 10-2 mm 2 Percentual ocupado da área total da imagem: 16,39% Para as condições de corte v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,3 mm/rot., a Figura 9 mostra Figura 9. v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,3 mm/rot. Maior largura: 0,4356 mm Diâmetro equivalente médio: 1,0136 x 10-1 mm Fator de forma: 0,37

8 Área média das cavidades: 9,6899 x 10-3 mm 2 Maior área de cavidade: 3,5687 x 10-2 mm 2 Percentual ocupado da área total da imagem: 15,27% Para as condições de corte v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,4 mm/rot., a Figura 10 mostra Figura 10. v c = 240 m/min; a p = 1,5 mm e f = 0,4 mm/rot. Maior largura: 0,4386 mm Diâmetro equivalente médio: 1,0737 x 10-1 mm Fator de forma: 0,54 Área média das cavidades: 1,4355 x 10-2 mm 2 Maior área de cavidade: 7,9678 x 10-2 mm 2 Percentual ocupado da área total da imagem: 16,57% A Figura 11 representa o gráfico da área média que as cavidades tem em função do avanço empregado em cada ensaio. É evidente que não houve um comportamento uniforme no crescimento das cavidades. A condição de corte com avanço de 0,15 mm/rot. mostrou um grande valor de área ocupada pelas cavidades na imagem. Porém essas cavidades aparecem bem menos profundas se comparadas a valores mais altos de avanço. O valor da área média também está diretamente ligado ao número de objetos selecionados, ou seja, ao número de cavidades que aparecem na imagem quantificada. 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 f (mm/rot) Figura 11. Gráfico da área média das cavidades em relação ao avanço. Com relação ao fenômeno do open grain, a despeito da pouca literatura que aborda o assunto, sua presença foi clara e significativa, conforme esperado. Em certas condições de corte, sua presença é mais evidente. Seu aparecimento nas superfícies das peças usinadas está relacionado à microestrutura do material (BCIRA Journal, 1965). O disco, cujo material é o ferro fundido cinzento, contém em sua estrutura uma matriz perlítica e lamelas de

9 grafita. Pela ação da operação de corte, forma-se, no material em frente à ferramenta, micro-trincas na matriz, segundo mecanismo descrito por (Marwanga et al, 2000). Essa região à frente da ferramenta é denominada de Região Afetada pela Usinagem (Machining Afected Zone). A formação de micro-trincas favorece a formação de cavacos sendo mais intensa em ferros fundidos com grafita lamelar (comparativamente a ferros fundidos nodulares ou aços). Entretanto, com o aumento do avanço ou da profundidade de corte, consequentemente aumenta-se a área de contato cavaco-ferramenta e as forças de corte, é provável que estas micro-trincas aumentem de tamanho, o que resultaria em aumento da rugosidade da superfície após a operação de corte, fenômeno observado nos resultado experimental. O aumento das micro-trincas devido ao aumento da área de contato cavaco-ferramenta, faz com que também aumente a quantidade de material arrancado da superfície. Este aumento da área de contato promove a elevação das componentes das forças de usinagem: corte, avanço, passiva (Ferraresi, 1977). Acredita-se que as componentes de avanço e passiva sejam mais influentes na nucleação e propagação da trinca através dos veios de grafita. Para o fenômeno do side flow, duas possíveis explicações podem ocorrer (Kishawy. e Elbestawi, 1999). A primeira situação é aquela em que a espessura do cavaco é menor que um valor mínimo e então o material removido é comprimido entre a superfície de folga da ferramenta e a superfície usinada. A Figura 12 mostra com o aumento maior uma região onde aparece o side flow ao lado de uma região em que aparece uma cavidade. Figura 12. Aparecimento do fenômeno side flow. Um segundo mecanismo seria o de que material deformado plasticamente na zona de corte flui através de caminhos desgastados na aresta de corte para a lateral da ferramenta. Ambos os mecanismos podem existir simultaneamente. Alguns fatores podem influenciar no aparecimento do side flow em materiais endurecidos: avanço, geometria da ferramenta, raio de ponta e desgaste da ferramenta. De todos estes aspectos que apareceram durante a usinagem, observa-se que certas precauções devem ser tomadas durante o processo de usinagem de discos de freio. Os parâmetros de corte devem levar em consideração não só a qualidade da superfície gerada, mas também devem ser levados em conta os tempos de usinagem, fator importante quando se pensa em produtividade. Cautela é um fator importante com relação à qualidade superficial gerada nas operações de usinagem com parâmetros mais extremos de corte e com tempos curtos, pois a topografia gerada, mesmo considerando que foram obtidas em condições de desbaste, podem não apresentar meios de serem corrigidas para os níveis de projeto na operação de acabamento.

10 4. CONCLUSÕES Com base na observação das imagens obtidas no microscópio eletrônico de varredura, no fato de os valores experimentais de rugosidade média tornarem-se inferiores aos teóricos com o aumento do avanço e na não existência de relação definida entre os parâmetros de quantificação das cavidades com o avanço, pode-se concluir que o fluxo lateral de cavaco (side flow) foi o fator determinante da textura superficial dos discos de freio e sua influência tornou-se mais efetiva para os valores de avanço mais elevados. 4. REFERÊNCIAS BCIRA Journal, v.13, 1965, n.º 6 Ferraresi,D., 1977, Fundamentos da Usinagem dos Metais Editora Edgard Blücher Ltda, Vol.1, São Paulo, Brasil, 751 pgs. ISO 3685, 1977, Tool-life Testing with Single-point Turning Tools. ISO International Organization for Standardization. Kishawy, H.A., Elbestawi, M.A., Effects of process parameters on material side flow during hard turning, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Elsevier Science, Machado, A.R. e Silva, M.B., 1999, Usinagem dos Metais, Universidade Federal de Uberlândia, 4ª edição, Abril Marwanga, R.O., et al. Influence of graphite morphology and matrix structure on chip formation during machining of continuously cast ductile irons, AFS Transactions, 2000, p.651. Trent, E.M., 1991, Metal Cutting, 3 rd Edition, Butteworths-Heinemann Ltd, 273 pg., ISBN SIDE FLOW AND OPEN GRAIN EVALUATION WHEN TURNING GRAY CAST IRON BREAK DISCS Ulisses Borges Souto Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Ulissesbs@globo.com Wisley Falco Sales Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais wisley@pucminas.br Sandro Cardoso Santos Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais sandro@pucminas.br Ernane Sales Palma Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais palma@pucminas.br Wilson Guesser Fundições TUPY, Joinville, SC, Brasil wguesser@tupy.com.br Ivo Baumer Fundições TUPY, Joinville, SC, Brasil. Abstract. This work proposes to study the influence of feed rate on surface finish of turned break discs. Analysis of surface texture was made by measurement of average roughness and SEM observations, to identify presences of side flow and open grain phenomena. SEM images were also analysed on Quantikov image analyser, to measure cavities presents on machined surface. Results showed that, for major feed rates adopted, surface finish was more influenced by side flow, being inclusive responsible by minor values of Ra, comparing with theoretical values. Keywords. open grain, side flow, surface finish, grey cast iron.