Análise de Superfícies Usinadas: Caracterização e Desempenho | Resumos Engenharia Mecânica

Análise de Superfícies Usinadas - Prof: Lourival Boehs - Página 1 de 7

Dilson J. A. de Souza - POS-MEC - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC

O EFEITO DO ACABAMENTO DA SUPERFÍCIE NO DESEMPENHO DO COMPONENTE

THE EFFECT OF SURFACE FINISH ON COMPONENT PERFORMANCE

Jack R. Clark: Coors Surface Technology

Dr. Marion B. Grant: Cummins Engine Co.

International Journal Machining Tools Manufacture

RESUMO

I. INTRODUÇÃO

II. DETALHES DAS INTENÇÕES TÍPICAS DAS CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHOS

III. ACABAMENTO DA SUPERFÍCIE PLANA

IV. ANÁLISE DA PROFUNDIDADE DO PERFIL PELA ANÁLISE DA ÁREA DE CARGA.

V. MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA (SEM) NA AVALIAÇÃO CONDIÇÕES DA SUPERFÍCIE.

VI. CONCLUSÃO

INTRODUÇÃO

Superfícies Funcionais: O que elas são?

Atualmente, ninguém tem todos os dados para definir a “funcionalidade” de uma única peça para

prever como será seu desempenho e por quanto tempo.

Superfícies típicas requerem funções que incluem:

Rolagem (laminação); vedação (selagem); reflexão da luz; deslizamento; suporte de carga; contato

elétrico; martelamento; pequenos defeitos; moldagem (conformação, formação).

Será mostrado aqui através da metodologia de análise de superfície, como quantificar as

características da superfície correlacionadas ao desempenho. Com essas ferramentas pode-se obter,

mesmo uma previsão para o desempenho de várias “famílias” de peças. Cada manufatura olha o método,

controle dos tempos e custos de fabricação de um componente, mas poucos examinam todas as variáveis

que quando controladas, podem maximizar os efeitos do tratamento da superfície. Compreensivelmente, o

processo para identificar todos os controles necessários e quando aplicá-los de uma maneira efetiva é

complicado.

Superfícies são fabricadas para aplicações específicas com especificações intencionadas para

as características de desempenho

- Deve ter retenção de lubrificante?

- A maior consideração é a fricção? Se assim, qual é a causa ou requerimento?

- Desgaste é um problema potencial?

- A tração de compressão é maior preocupação?

- O ambiente de trabalho produzirá material arrancado na superfície como em aplicação de

ferramentas de corte?

- A superfície tem permitido liberar as peças como na aplicação de em moldes?

- Há uma necessidade de resistência ao desgaste do revestimento e pode ser efetivamente ser

aplicado?

- Acabamento da superfície afeta peça por peça nos ajustes e tolerâncias?

Este trabalho discutirá intenções características de desempenho da superfície, analisando

ferramentas que são capazes discriminar sutis diferenças entre desempenho e não desempenho de

superfícies e como essas ferramentas podem ser usadas para desenvolver especificações e controle de

processos para produzir consistentes qualidades de superfície.

II.DETALHES TÍPICOS DAS INTENÇÕES DAS CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHOS

a. Retenção do Lubrificante

A aspereza (rugosidade) e imperfeições da superfície ao perfurar o filme lubrificante cria contato entre

as peças torna-se fonte do desgaste. Para isso uma alta área de superfície de carga deve ser

implementada, sem nenhuma rugosidade estendida significantemente sobre a linha de carga de rolamento.

Como uma superfície é referida as partes planas, tendo uma alta densidade de carga de rolamento

“mesas” com vales entre si. Estes vales ou depressões são efetivos se eles são formam superfície com

pequenas estrias de aproximadamente 1 a 10 microns de profundidade na superfície para aumentar a

retenção de lubrificante ou tornar a superfície com capacidade umectante.

Com a combinação de superfícies planas e estriadas, uma dada parte da peça pode aceitar mais

carga pelo lubrificante sem redesenhar ou trocar material somente porque as forças são distribuídas mais

uniformemente através da peça.

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Dilson J. A. de Souza - POS-MEC - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC O EFEITO DO ACABAMENTO DA SUPERFÍCIE NO DESEMPENHO DO COMPONENTE THE EFFECT OF SURFACE FINISH ON COMPONENT PERFORMANCE Jack R. Clark: Coors Surface Technology Dr. Marion B. Grant: Cummins Engine Co. International Journal Machining Tools Manufacture RESUMO I. INTRODUÇÃO II. DETALHES DAS INTENÇÕES TÍPICAS DAS CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHOS III. ACABAMENTO DA SUPERFÍCIE PLANA IV. ANÁLISE DA PROFUNDIDADE DO PERFIL PELA ANÁLISE DA ÁREA DE CARGA. V. MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA (SEM) NA AVALIAÇÃO CONDIÇÕES DA SUPERFÍCIE. VI. CONCLUSÃO INTRODUÇÃO Superfícies Funcionais : O que elas são? Atualmente, ninguém tem todos os dados para definir a “funcionalidade” de uma única peça para prever como será seu desempenho e por quanto tempo. Superfícies típicas requerem funções que incluem: Rolagem (laminação); vedação (selagem); reflexão da luz; deslizamento; suporte de carga; contato elétrico; martelamento; pequenos defeitos; moldagem (conformação, formação). Será mostrado aqui através da metodologia de análise de superfície, como quantificar as características da superfície correlacionadas ao desempenho. Com essas ferramentas pode-se obter, mesmo uma previsão para o desempenho de várias “famílias” de peças. Cada manufatura olha o método, controle dos tempos e custos de fabricação de um componente, mas poucos examinam todas as variáveis que quando controladas, podem maximizar os efeitos do tratamento da superfície. Compreensivelmente, o processo para identificar todos os controles necessários e quando aplicá-los de uma maneira efetiva é complicado. Superfícies são fabricadas para aplicações específicas com especificações intencionadas para as características de desempenho

Deve ter retenção de lubrificante?
A maior consideração é a fricção? Se assim, qual é a causa ou requerimento?
Desgaste é um problema potencial?
A tração de compressão é maior preocupação?
O ambiente de trabalho produzirá material arrancado na superfície como em aplicação de ferramentas de corte?
A superfície tem permitido liberar as peças como na aplicação de em moldes?
Há uma necessidade de resistência ao desgaste do revestimento e pode ser efetivamente ser aplicado?
Acabamento da superfície afeta peça por peça nos ajustes e tolerâncias? Este trabalho discutirá intenções características de desempenho da superfície, analisando ferramentas que são capazes discriminar sutis diferenças entre desempenho e não desempenho de superfícies e como essas ferramentas podem ser usadas para desenvolver especificações e controle de processos para produzir consistentes qualidades de superfície. II.DETALHES TÍPICOS DAS INTENÇÕES DAS CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHOS a. Retenção do Lubrificante A aspereza (rugosidade) e imperfeições da superfície ao perfurar o filme lubrificante cria contato entre as peças torna-se fonte do desgaste. Para isso uma alta área de superfície de carga deve ser implementada, sem nenhuma rugosidade estendida significantemente sobre a linha de carga de rolamento. Como uma superfície é referida as partes planas, tendo uma alta densidade de carga de rolamento “ mesas ” com vales entre si. Estes vales ou depressões são efetivos se eles são formam superfície com pequenas estrias de aproximadamente 1 a 10 microns de profundidade na superfície para aumentar a retenção de lubrificante ou tornar a superfície com capacidade umectante. Com a combinação de superfícies planas e estriadas, uma dada parte da peça pode aceitar mais carga pelo lubrificante sem redesenhar ou trocar material somente porque as forças são distribuídas mais uniformemente através da peça.

Dilson J. A. de Souza - POS-MEC - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC b. Considerações de Atrito Para a maioria das peças, atrito está relacionado com a distribuição da carga distribuída junto a superfície. Que nenhum vale ou montanhas ou quebra de picos deve intervir no seu movimento. Quanto ao atrito constante, a superfície deve ser uniforme e ter uma taxa previsível de desgaste. Desenvolver projetos técnicos que permitam ganho ou perda de atrito, para saber se haverá apreciável desgaste e para entender se o atrito deve ser considerado para a vida da peça. c. Considerações de Desgaste Desgaste pode ser diretamente responsável pelo atrito, mas há outros problemas de desgaste que pode relatar através da preparação da superfície. Se uma superfície é instável pobremente usinada de forma que bordas e arestas fraturadas existam, estas quebrarão pela carga de compressão causando perda de tolerância. Isto também pode ser chamado de desgaste de erosão da superfície pela perda de atrito. Sem própria análise e preparação, a estabilidade da superfície é imprevisível. d. Considerações para superfícies solicitadas a esforços Solicitação de esforço na superfície de uma peça pode ser desastroso para seu desempenho. Para avaliar se estes esforços desempenharão um papel negativo na função da peça, deve saber como será o material é formado e o acabamento de sua superfície (rolado, estirado, forjado, fundido, conformado, torneado, retificado, acabado com abrasivos, encruado por jato de granalha). Qualquer um desses criará ou eliminará características de solicitação na superfície de trabalho da peça. Há muitos caminhos para avaliar os esforços em uma superfície. Análises por Métodos Destrutivos, Microscópio Eletrônico por Varredura (SEM) e Raios X, podem predizer a função da superfície baseado em suas habilidades. e. Pontas em Material Na aplicação de ferramentas no corte e conformação, obtenção ou transferência de material são dependentes do desempenho do lubrificante e da “rugosidade” da superfície. Nenhuma aresta pode permanecer na superfície atuando como um cortador. Quando a ferramenta é usada para formar, moldar ou cortar algum material, esta superfície pode atuar como uma lima e encher com cavacos os locais de trabalho. Com próprio planejamento da ferramenta o material obtido pode ser reduzido ou eliminado. A superfície deve ser avaliada ou modificada para produzir ferramentas com previsão de longa vida. f. Aplicação em moldes A moldagem industrial tem sempre acreditado que a superfície com melhor acabamento é a melhor. O que não é verdade em todos os casos. A primeira meta de uma superfície lisa na moldagem é liberar a peça do molde eficientemente e sem danos. Um acabamento para reservar esta função pode ser imposta com alguma textura superficial. g. Revestimentos resistentes ao desgaste Com o início dos revestimentos duros, a vida das ferramentas tem sido aumentada substancialmente em ferramentas padrão. Uma boa preparação da superfície e substratos menos expansivos em ferramentas padrão melhora sua qualidade. O conhecimento das exigências do acabamento da superfície pode ser combinado com tecnologia de revestimentos duros para criar uma nova geração de ferramental. h. Pode afetar encaixe de peças Acabamento superficial pode afetar encaixe de peças e suas tolerâncias. Estas são algumas das questões que podem ser respondido para entender o requerimento da superfície de qualquer parte da peça usinada. Freqüentemente as considerações tornam-se totalmente complicadas. Várias entradas são necessárias para avaliar os resultados das questões que são geradas. Deve ser usada uma análise sistemática para avaliar a superfície da peça para, com precisão, antecipar como uma peça atuará. III. ACABAMENTO DA SUPERFÍCIE PLANA Este trabalho focará o que é mais provável conjunto aplicado de características superficiais:

Altura da área de rolamento; anti-fricção; anti-desgaste; retenção de óleo e resistência ao desgaste. Tais características superficiais são chaves para deslizamento, rolagem e aplicações de selagem o qual cobre verdadeiramente uma larga gama de sofisticadas aplicações de superfícies. Essas superfícies são chamadas “planos” e incluem larga taxa de tratamentos de superfície, cursos de máquinas ferramentas, acabamento de de cilíndricos de motores e recobrimento duro de discos magnéticos. Superfícies plaina são ótimas para aplicações de deslizamento e rolamento através de lubrificações clássicas onde o filme lubrificante é formado pela movimentação relativa das duas superfícies. Plainamento

Dilson J. A. de Souza - POS-MEC - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC B. Duas partes de linhas modelo da curva da área da superfície de carga plainada Essas duas curvas tem sido as ferramentas foco de observações para analizar cada superfície plainada por algum tempo. Rudolf Trautwein da Mahle GmbH (1981), e o artigo do Dr. G. HASSDID of Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH. Ambos artigos sugerem que linhas tangentes sejam construídas ao longo de duas regiões da BAC que corresponde: Primeiro : o nível plainado do perfil; Segundo : a profundidade do vale da região do perfil. A profundidade em microns para 0% do nível da área suportada para 100% de BAC é mostrado como “C” em ambos os artigos (Figuras a seguir). Ambos mostram a profundidade de 0% para o nível de suporte para a intersecção das duas linhas tangentes como “A” e a porcentagem da área suporte pela intersecção como “B” (o qual comumente sugere que esta técnica tem recebido alguns graus de aceitação na indústria de manufatura de motores West German). Ambos mostram uma equação para a retenção do volume de óleo por unidade de área da superfície dada como: Vo = (100 – B) (C – A) / 2000 (em unidade de mm3/cm2) Com C e A dado em microns. c. Parâmetro DIN Rk Em 1985 Dr. H. Bodschwinna da Universidade de Hanover no Oeste da Alemanha publicou uma técnica de análise que ele desenvolveu para Daimler Benz na análise do metal pó da superfície. Este método novamente ajusta a linha tangente para a região plainada da BAC e o parâmetro “ Rk ” é a

Dilson J. A. de Souza - POS-MEC - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC profundidade em microns para 0% do nível de interseção de rolamento para 100% do nível de intersecção rolamento desta linha tangente (Figuras abaixo). Então uma linha é derrubada para 100% intersecção Rk, extendendo paralela para a percentagem da área do eixo de rolamento para BAC, isto e valor de percentagem de rolamento a qual esta linha intersepta a BAC é referida para o segunda taxa de matéria, “Mr2”, expressa em percentagem. Finalmente este 100% de Rk cruza a linha BAC é usada como a base do triangulo direito de que altura é medida ao longo de 100% do eixo do gráfico e de que área é equivalente a área do outro lado do material e debaixo do ponto Mr2. Esta altura debaixo de 100% do eixo se refere como a redução da profundidade do vale, Rvk, expressado em microns. Esses parâmetros Rk são instrumentos para avaliar o maior nível de topo da superfície acabada e resultando este sistema Rk é provavelmente o pacote mais amplamente usado para análise da profundidade do perfil de planos acabados. D. Impressão da Curva de probabilidade da Área Suporte É outro mais sofisticada modificação da área suporte analisada envolvida recentemente e é atualmente considerada padrões em círculos nacionais e internacionais. Este envolve impressão da BAC com a percentagem do eixo com o eixo de probabilidade acumulada mais que linear (Figuras abaixo). Tal uma representação, usada pesadamente como uma poderosa técnica em análises estatísticas, faz a BAC de um simples chão da superfície, o qual tem a Gaussian ou Distribuição Normal ADF, como um linha direta.

Dilson J. A. de Souza - POS-MEC - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC o material para operar eficientemente. Para predizer a quantidade de poros do material, este deve ser caracterizado em sua forma em pó sinterizado. A SEM pode classificar segundo o tamanho, avaliar a forma e analisar quimicamente o pó. Um perfilômetro tem dificuldade de caracterizar totalmente superfícies PM por causa da sua vasta porosidade. O aspecto funcional da superfície é também perdido por esse tipo de medição bidimensional. A SEM pode reproduzir os aspectos pertinentes da superfícies, e separar áreas úteis. Análise de Suporte de Carga Um importante fator deve ser conhecido sobre a superfície e quanta carga ele a pode suportar. Muitos métodos tem sido desenvolvidos para calculá-los, sendo a maioria são destrutivos. Perfilômetros fornecem altas resoluções de informação da profundidade do perfil, mas somente fornecem uma via bidimensional que na melhor é extrapolada para estimar a carga tridimensional da condição de suporte da superfície. A SEM providencia uma visão tridimensional mais compreensível dos aspectos da carga de suporte da superfície. As informações das alturas relativas da superfície é vista com distintos tons de cinza. Com sinal processado e descrito, os níveis de cinza podem ser agrupados, áreas muitos precisas podem ser feitas e a estrutura suporte para uma determinada área pode ser examinada. A parte da superfície que irá suportar a carga pode ser facilmente calculada e incluída nos critérios de desempenho. Essa informação é particularmente importante em aplicações de superfícies de rolamento e deslizamento onde a carga e forma da superfície é muito crítica. Aqui de novo, o desempenho da superfície pode ser predita sem testes extensivos. Também, o método de usinagem e controle podem ser examinados sem retirar o teste de vida. Informação da área da superfície pode ser muito útil no entendimento da transferência de calor e efeitos limites das aplicações em moldes. O efeito no tempo de cura e integridade da superfície de partes do molde podem ser verificados. O exame da qualidade da superfície pode diminuir ciclos de moldagem em até 50% com a utilização da SEM. O tipo de SEM da área analisada é essencial para avaliar as superfícies complicadas como perfis em cavidade de moldes. D. Estequiometria – Homogeneidade Outro fator chave no desempenho é a homogeneidade química da superfície e até mesmo a distribuição da liga ao longo do material. A SEM unida com a energia dispersa do sistema de raio X (EDS) pode identificar concentrações específicas de elementos em qualquer superfície. Esta forma de superfície micro analisada desempenha um importante papel na avaliação do desempenho da superfície de uma carga de rolamento para entender desgastes padrões do material. Durante a formação do metal, ligas são adicionadas para troca de propriedades do material base, muitas vezes tornando-se não uniforme, podenso ou não afetar no desempenho da peça. A combinação de SEM e EDS é muito avaliável no mapeamento da superfície para identificar discrepâncias que podem afetar o desempenho. É uma excelente ferramenta para checar a qualidade do metal e indicar sua superfície estequiométrica. A análise pode dar um percentual total relativo da liga, mas não especifica a concentração na superfície. A superfície pode ser otimizada estruturalmente para uma alta resistência à carga, mas o material não pode ter maior ou menor distribuição de liga para suportar a mesma carga. O SEM e equipamento de análise relacionado fez-se possível para completamente caracterizar as condições da superfície. A topografia, a estrutura, a análise química, a capacidade de carga e até o método que foi formado pode ser derivado da aquisição de dados pelas ferramentas. Estes dados de entrada unidos podem reduzir os tempo e custos para produzir qualquer peça. Todas superfícies tem uma característica que indicará qual função pode desempenhar. Os padrões para todos os componentes que incluem a superfície será estabelecido e usado em desenho de ferramentas, acabamento e testes. O resultado final será parâmetros de projeto mais precisos, menos tempo de testes e, então, redução de todos os custos de produção. CONCLUSÃO Há novas ferramentas que podem ser aplicadas para análise funcional de superfície pelo qual a correlação entre medição e desempenho pode ser alcançado e ultimamente especificações funcionais podem ser desenvolvidas para usos efetivos em projeto e controle de processos. Duas análises complementares cobrem profundidade de perfil no contato do instrumento de perfilamento e análise da área da superfície usando SEM tendo sido descrito para descrever os benefícios de ambos. Usar essas ferramentas em conjunto com outros resultados na habilidade de produzir superfícies com qualidades com desempenho consistente para uma larga taxa de aplicações.

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