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Resumo

Na indústria existem vários processos de usinagem utilizados para efetuar o acabamento de peças, como o lixamento, polimento, lapidação e brunimento. No decorrer deste artigo, iremos tratar do processo de usinagem de acabamento realizado em cilindros de combustão interna chamado de brunimento, que apesar de ser pouco conhecido é um dos mais importantes para peças cilíndricas. O brunimento é um processo de usinagem que tem por finalidade a correção de erros de usinagem, defeitos no interior da peça, espelhamento e ovalização. É um processo de baixa rotação e grande pressão, onde normalmente a ferramenta percorre o interior da peça no sentido vertical, enquanto gira lentamente, formando um padrão hachurado com um ângulo desejado, normalmente o ângulo de hachuramento depende da função da peça. O nosso artigo tem por finalidade fazer uma comparação de duas ferramentas de materiais diferentes no brunimento de cilindros de motores de combustão interna, observando as condições de acabamento e comparando a força de atrito entre o cilindro e os anéis do pistão.

Palavras chave: Brunimento, cilindro, comparação.

1. Introdução

O brunimento é um processo de usinagem de acabamento, empregado em peças cilíndricas, que produz um padrão hachurado nas peças, esse padrão por sua vez tem a finalidade de facilitar a lubrificação do cilindro e a refrigeração do conjunto, uma vez que é capaz de reter os fluidos que realizam essas mesmas funções, além de reduzir o atrito entre duas peças. É um processo muito utilizado na fabricação de mancais, camisas de compressores e cilindros de motores, sendo que normalmente é o último processo na fabricação de cilindros, outros uso do brunimento é a retificação de peças.

Segundo R.de Souza et al., “a qualidade do brunimento tem influencia impactante no desempenho, consumo, emissão de poluentes, vida útil e outros parâmetros de desempenho de um produto”. Um brunimento de qualidade deve apresentar um padrão hachurado bem definido, com ângulo determinado, normalmente variando entre 90º e 120º conforme a aplicação mas podendo variar dependo da aplicação pretendida.

È do interesse do grupo fazer uma comparação entre várias ferramentas de brunimento e seu desempenho no brunimento de cilindros, bem como a sua relação com os anéis escolhidos por sua características, verificando a eficiência de cada ferramenta para definir aquela que melhor realiza a função

desejada. A intenção deste artigo é mostrar através da experimentação prática, a importância do uso da ferramenta adequada no brunimento de cilindros e mostrar também a importância desse processo, pouco valorizado, na indústria e no desempenho do conjunto cilindro-pistão.

Segundo Tung e McMillan, 2004 os motores a combustão interna (MCI) são amplamente aplicados e são considerado uma alternativa viável para os requisitos de versatilidade e custo, tornando-se facilmente encontrado em operação, isso indica que os MCI continuarão dominando o mercado de veículos.

3. Métodos e Técnicas

O presente trabalho foi realizado em uma oficina mecânica juntamente com a Retificadora União, ambas localizadas na cidade de Santa Rosa tendo como objetivo comparar dois processos de brunimento de cilindros de motores e ver qual dos dois tem um melhor apresenta uma melhor rugosidade e conseqüentemente ter um melhor desempenho e durabilidade utilizando um anel retangular do Tipo-P onde não requer anéis com formatos especiais.

Os anéis têm uma participação importante no rendimento do motor, pois é ele que veda e faz a compressão do mesmo, minimiza o Blow-by que são os gases da combustão que vazam entre os anéis e cilindro e vão para o cárter, controla o filme de óleo na parede do cilindro, e ajuda na dissipação de calor dos pistões transmitindo o calor gerado na fase de combustão para o cilindro, pois o mesmo está envolvido pela água do bloco.

Outro passo importante é entender o que acontece com os anéis nas 4 fases de um motor ciclo Otto.

No ciclo de Admissão que é a faze da compressão , os anéis são forçados para cima, auxiliando na vedação do cilindro. Os anéis vedam o cilindro auxiliando na aspiração do ar/combustível em um motor aspirado.

No ciclo de Compressão que é a faze de compressão os anéis são forçados para baixo. Quando o anel é forçado para baixo entre a canaleta do pistão e os anéis de compressão cria-se folga em torno de 0,15 mm dependendo dos pistões e anéis, a compressão do motor entra por esse espaço e vai atrás dos anéis e força os anéis contra a parede do cilindro auxiliando na vedação do motor e diminuindo o blow by. Nessa fase quando o anel não é adequado para o projeto do motor ou a folga entre pontos de anel está excessiva, há uma grande perda de compressão e potência do motor.

No ciclo de combustão, os anéis são forçados para baixo rapidamente, e há uma pequena fuga de gases através da folga entre a ponta do anel. Nesse ciclo os anéis tem uma grande importância na troca de calor, pois são eles que transmitem o calor do pistão para o cilindro, e do cilindro para o sistema de arrefecimento.

No ciclo de escape os anéis são forçados para a parte inferior da canaleta. Os anéis na 4 fase do motor trabalham para cima e para baixo. Outro ponto importante é a rotação do trabalho dos anéis.

Os anéis por si só trabalham virando, trabalho esse que esta ligado diretamente ao processo de brunimento. Se os anéis ficassem parados haveria um calor excessivo entre pistão e cilindro ocasionando perda de potencia e até mesmo o engripamento do conjunto móvel (anéis, pistão e cilindro).

Baseado nestas caracteristicas e na importância que os anéis tem no desempenho do motor, partimos para o processo de brunimento que além de ser processo de usinagem por abrasão à baixa velocidade, utilizando uma

ferramenta abrasiva na qual todos os grão ativos estão em contato com a superfície da peça para remoção de material melhorando a precisão das superficies internas tambem tem papel importante com e desempenho do motor.

A norma DIN 8580 prevê classificação de acordo com o processo de usinagem, e o brunimento se enquadra ao grupo de processos de usinagem com ferramenta de geometria não definida, pois não existe uma aresta de corte com geometria definida e sim grãos abrasivos com tamanho médio.

No nosso estudo, no primeiro caso foi utilizado um brunidor de pedra fabricado com abrasivos convencionais utilizando o carboneto de silício em sua composição, o qual é aplicado em ferros fundidos, materiais não ferrosos, camisas e blocos de motores.

Brunimos um cilindro de um motor CHT que, utiliza o tipo de camisa úmida, com a ferramenta acoplada em uma furadeira do tipo profissional mantendo a velocidade de corte e a pressão de contato constante num tempo total de 5 minutos. O brunidor de pedra possuia uma granulometria de 150 e o tamanho médio das partículas de 120 microns valores tabelados.

Após o trabalho utilizamos um rugosimetro Mitutoyo Surftest 301para fazer a medição da rugosidade do cilindro e consequentemente obtivemos o seguinte gráfico.

Figura 1 – Gráfico de Rugosidade. Fonte: Retificadora União (2011)

Este gráfico mostra os picos e os vales obtidos após o brunimento de pedra num espaço de 1mm dentro do cilindro, medição feita pelo rugosimetro.

Os vales são depósitos de óleo que são benéficos para um bom assentamento de anéis, e os picos são microsaliências da superfície dos cilindros que os anéis tem que quebrar. Após o trabalho de brunimento é feito um pré-assentamento utilizando uma escova especial para fazer uma quebra parcial

dos picos fazendo com que os anéis tenham uma vida útil maior e que este motor não tenha perda de rendimento.

Figura 2 – Cilindro Brunido. Fonte: Acadêmicos (2011)

Mesmo com um pré-assentamento esse processo convencional e manual não tem uma boa proporcionalidade entre vales e picos. Os ângulos de brunimento estão fora do especificado conforme figura 2.

No segundo caso a ferramenta utilizada foi de diamante com ganulometia de 150 microns e o tamanho médio das partículas de 120 microns mesma caracteristiacas do brunidor de pedra porém a ferramenta estava acoplada numa máquina específica para o trabalho, com velocidade de corte relacionada ao tipo de brunidor e a pressão de contato regulada pelo sistema hidráulico num tempo total de 5 minutos, o cilindro utilizado foi de um motor de kombi mas possui o mesmo material do motor CHT.

Utilizou-se o mesmo rugosimetro Mitutoyo Surftest 301 para análise de rugosidade onde nos deu o seguinte gráfico.

Figura 3 – Gráfico de Rugosidade. Fonte: Retificadora União (2011)

Este gráfico mostra uma proporcionalidade entre picos e vales tendo um bom depósito de óleo e picos uniformes. Após o pré-brunimento os picos quebraram numa uniformidade tendo uma boa superfície de contato com os anéis, sem comprometer muito o seu assentamento.

Figura 4 – Cilindro Brunido. Fonte: Acadêmicos (2011)

Neste caso os ângulos do brunimento ficaram entre 30º e 60º o recomendado pelos fabricantes conforme mostra figura 4.

Utilizou-se nos dois processos óleos solúveis que são empregados como fluidos de brunimento no trabalho com peças de ferro fundido e brunidores diamantados. São emulsões na base de 3% a 6% com 1,5% de um agente de deslizamento.

Os lubrificantes além de diminuir o coeficiente de atrito melhora tambem na macro e microestrutura do cilindro. Age diretamente na limpeza e remoção dos cavacos além da desobstrução dos poros do brunidor. Vale ressaltar que o fluído tambem desempenha a função de estabelizador de temperatura evitando assim a ocorrência de erros dimensionais.

4. Resultados e discussões

A rugosidade desempenha um papel importante no comportamento dos componentes mecânicos é ela que influi na qualidade de deslizamento, resistência ao desgaste, possibilidade de ajuste do acoplamento forçado, resistência oferecida pela superfície ao escoamento de fluidos e lubrificantes, qualidade de aderência que a estrutura oferece às camadas protetoras, resistência à corrosão e à fadiga, vedação e aparência.

Para levantar os resultados obtidos e ver se os componentes mecânicos estão de acordo, utilizou-se o Rugosimetro Mitutoyo Surftest 301 onde foram levados em considerações três paramêtros tradicionais para a caracterização da superfície que são Ra, Rz e Rmax.

No primeiro caso do cilindro de um motor CHT, a rugosidade média (Ra) obteve o resultado de 1.33 microns, ja a rugosidade média (Rz) caracterizou-se por 8.1 microns e a rugosidade máxima (Rmáx) obteve-se 5.0 microns

A curva de Abboutt-Firestone que é a representação grafica da variação do parametro razão material do perfil em função de diferentes níveis de comprimento avaliado foi a seguinte.

Figura 5 – curva de Abboutt-Firestone. Fonte: Retificadora União (2011)

Esta é uma curva que apresenta uma superficie suave onde não possui muitos picos.No primeiro caso mantemos a velocidade e a pressão de contato constante fazendo com que os ângulos ficassem muito planos e fora do desejado confome mostra figura 2.

Essa prática trás algumas consequências desfavoráveis para um bom funcionamento do motor. Os anéis de pistão vibram, hà um elevado desgaste das canaletas e anéis, distribuição insuficiente de óleo e lubrificação insatisfatória. Isso porque é um processo manual não conseguindo encontrar a velocidade e pressão de contato indicados para o processo.

No segundo caso onde utilizou-se o cilindro de uma KOMBI os resultados foram os seguintes:A rugosidade média (Ra) foi de 2.91 microns, a rugosidade

média (Rz) foi de 10.3 microns e a rugosidade máxima (Rmáx) foi de 5.6 microns. A curva de Abboutt-Firestone teve as seguintes características:

Figura 6 – curva de Abboutt-Firestone. Fonte: Retificadora União (2011)

Esta curva representa uma superfície pontuada tendo picos e vales em concordância.No processo automatizado obtivemos os ângulos hachureados desejados {figura 4} entre 30º e 60º fazendo com que tenha um amaciamento correto dos anéis, o filme de óleo é bem distribuido, não há vibrações e engripamento dos anéis e sem contar o bom rendimento que o motor terá.

Além de conferir à camisa boas características geométricas, o brunimento automatizado de camisas de cilindro objetiva principalmente a obtenção de uma superfície com rugosidade controlada, exibindo pequenos vales e microsulcos apos um pre-brunimento, servindo estes de alojamento para o óleo lubrificante

Todos estes benefícios porque o processo é controlado, respeitando as características da ferramenta de diamante e as características da máquina. Pode-se observar as diferenças de rugosidade com as duas ferramentas a de pedra e a de diamante e tambem os seus ângulos hachureado.

A vida útil, a segurança operacional e a economia de um motor são fortemente influenciadas pelo conjunto móvel composto de cilindros, óleo, anéis e pistões.O ajuste do motor através de um brunimento correto tem importância fundamental na macrogeometria do cilindro (circularidade e paralelismo) e na qualidade da superfície dos cilindros.

O funcionamento dos cilindros depende das características do material, do formato macrogeométrico em relação à usinagem, da fixação e distorção da peça, assim como das características da superfície que são determinadas por meio do brunimento.O material utilizado nas peças mais dura tem um melhor acabamento no processo de brunimento, porem a sua granulometria é superior a 150 microns.

O ângulo hachureado depende da relação da velocidade do movimento alternativo pela velocidade perimetral. No brunimento é comum a prática de se estabilizar a velocidade perimetral e então variar a velocidade do movimento alternativo para se obter o ângulo desejado do hachureado.

Fica claro que para o anel retangular do Tipo-P ter um bom desempenho e uma vida útil maior o processo automatizado e a ferramenta de diamante é a mais apropriada por apresentar o angulo hachureado dentro das especificações e possuir picos uniformes facilitando o deslizamento dos anéis e ter uma boa compressão onde o motor não perde potência e não tem um desgaste prematuro do mesmo.

Figura 7 – Cilindro Brunido automatizado. Fonte: Retificadora União (2011)