Autor(es): Eberhard Abele, Thomas Heep e Timo Scherer desenvolveram este trabalho pelo Instituto para Gestão da Produção, Tecnologia e Máquinas-Ferramenta da Universidade Técnica de Darmstadt, Alemanha (PTW). Este artigo foi originalmente publicado na edição de março de 2015 da revista alemã Werkstatt + Betrieb. Copyright by Carl Hanser Verlag, Munique (Alemanha). Tradução: Antonio A. Gorni.
Figura 1 – Turbocompressor acionado pelos gases de exaustão do veículo (Fonte: BorgWarner Turbo-Systems)
O turbocompressor, patenteado pelo suíço Alfred Büchi no início do século XX [7], é necessário atualmente como nenhum outro componente para atender a atual tendência de redução de tamanho dos motores a combustão interna. O desenvolvimento de motores menores, mas de forma alguma menos potentes, vem sendo buscado para se atender aos objetivos de controle climático da União Europeia e do governo federal alemão. Até o ano de 2030, as emissões de gás carbônico na União Europeia deverão ser 40% menores do que o valor correspondente ao ano de 1990[2].
O número continuamente crescente de automóveis vendidos atua contra essa missão. Por esse motivo, as normas europeias sobre emissões estão impondo valores-limite cada vez menores para as emissões automotivas prejudiciais. O emprego de turbocompressores acionados pelos gases de exaustão, associado com o uso de motores menores, permite atender a essas especificações.
Os especialistas calculam que haverá um aumento nas vendas de motores com dois, três ou quatro cilindros, as quais alcançarão mais de 80 milhões de unidades até o ano de 2016, enquanto que as vendas de motores com seis e oito cilindros ficarão estagnadas nos níveis atuais[9]. A agência de proteção ambiental americana (Environmental Protection Agency, EPA) chegou à conclusão que mais de 90% dos automóveis novos com motores a gasolina licenciados em 2025 estarão equipados com turbocompressores [1].
Os resultados de um levantamento podem confirmar esses desenvolvimentos. A empresa Grob, de Mindelheim, Alemanha, estimou que, com a duplicação do número de turbocompressores fabricados até 2020, pode-se esperar que o maior aumento de produção ocorra na área dos motores de ciclo Otto. Também a Daimler, de Stuttgart, Alemanha, espera aumento de produção na área dos turbocompressores e avalia que todos os motores a combustão interna a serem produzidos no futuro serão equipados esse componente. A figura 2 apresenta prognósticos sobre a evolução futura da produção de veículos automotivos e de turbocompressores.
O presente trabalho compila as reflexões de especialistas em cinco indústrias que foram consultados sobre esse assunto. O lado dos usuários foi representado aqui pelas empresas Daimler e BorgWarner, enquanto que as firmas Walter e Grob representaram o lado das ferramentas e máquinas-ferramenta. Renomados fornecedores para a área de medição, como a Mahr, de Göttingen, Alemanha, também foram consultados.
Na área de motores a diesel o emprego de turbocompressores já é padrão há algumas décadas. Até o momento a utilização de conjuntos de motores a diesel com turbocompressores é limitada sobretudo no mercado europeu; já os mercados americano e asiático apresentam forte interesse por motores que usam turbocompressores. Enquanto que, no momento, o aumento na fabricação de turbocompressores para motores diesel permanece quase cons-
Figura 2 – Desenvolvimentos previstos para a produção de veículos automotores e turbo-compressores[5,8] (Fonte: PTW)
tante, na área dos motores com ciclo Otto, espera-se um aumento muito forte. Contudo, as maiores temperaturas dos gases de exaustão gerados pelos motores com ciclo Otto em comparação com as verificadas nos motores diesel impõem desafios aos fabricantes de turbocompressores. Para se garantir um longo período de operação sob as faixas de temperatura reinantes, é necessário utilizar aços fundidos resistentes ao calor que, em compensação, apresentam más características de usinagem que dificultam a manufatura econômica das carcaças usadas nos turbocompressores.
Redução do tamanho X solicitações termomecânicas
Gases de exaustão sob temperaturas superiores a 1.050oC e velocidades de rotação de até 330.000 rpm requerem manufatura sob precisão máxima e o uso de materiais resistentes ao calor. Os requisitos relativos à usinagem de componentes para turbocompressores podem ser subdivididos em três áreas: carcaça da turbina feita com aço fundido resistente ao calor; carcaça e rotor do compressor feito com liga de alumínio de alta resistência; e rotor da turbina e válvula de desvio feitos com ligas à base de níquel com alta resistência ao calor.
A implantação do conceito de redução de tamanho ao projeto dos motores promoveu uma elevação no espectro de solicitações termomecânicas que atuarão sobre os materiais construtivos utilizados. Particularmente na área da carcaça da turbina – o lado "quente" do turbocompressor – é necessário que o material supor te solicitações térmicas muito elevadas. De fato, os gases de exaustão nos motores com ciclo Otto atuais atingem temperatura da ordem de 1.050oC, valor que no futuro poderá subir para 1.100oC.
Conforme a opinião de especialistas, observa-se uma clara tendência ao uso de aços fundidos resistentes ao calor com teor reduzido de níquel, que é justificada pelas consideráveis oscilações observadas na evolução do preço desse elemento de liga. O Instituto para Gestão da Produção, Tecnologia e Máquinas-Ferramenta da Universidade Técnica de Darmstadt (PTW) está pesquisando soluções produtivas de usinagem dentro do círculo de trabalho industrial denominado Usinagem de Conjuntos Propulsores, da área dos aços fundidos resistentes ao calor, entre outras. Além disso, o círculo de trabalho industrial denominado Titânio vem investigando temas ligados à usinagem de ligas de titânio e de níquel.
Há muitas razões que explicam a má usinabilidade dos aços fundidos resistentes ao calor. Por um lado, isso decorre da baixa condutibilidade térmica pontual do material tendo-se em vista os altos picos de temperatura na zona de usinagem. Além disso, os diferentes componentes da liga, constituída de fase tenaz de níquel e carbonetos muito duros de cromo e nióbio, impõem altos requisitos ao material de corte utilizado, do ponto de vista da resistência ao desgaste adesivo e abrasivo. Além disso, pode haver vazios e inclusões de areia e escória decorrentes do processo anterior de fundição. A carcaça do turbocompressor passa por processo de jateamento de areia ou granalha após a fundição, o que gera uma camada periférica endurecida com aproximadamente 1 mm de profundidade. Dessa forma, a dureza na região periférica de um aço fundido do tipo 1.4849 pode variar entre 200 HV e 400 HV[3].
Ferramentas especiais dominam este segmento
A geometria complexa das carcaças dos turbocompressores requer múltiplas operações de usinagem usando diferentes ferramentas. A enquete com especialistas revelou que, em média, cerca de trinta diferentes ferramentas são usadas para a fabricação de carcaças para turbocompressores, das quais mais de 80% são ferramentas especialmente desenvolvidas.
Isso possibilita a combinação de múltiplas etapas de usinagem, tais como processos de furação em múltiplas etapas ou usinagem simultânea externa e interna com ferramentas para torneamento em formato de sino. Conforme os dados fornecidos pelos usuários, o maior preço das ferramentas especiais é mais do que compensado pela aumento que elas promovem na produtividade. Além disso, as ferramentas variam entre si em termos do revestimento usado para aumentar sua eficiência econômica. A empresa Walter, de Tübingen, Alemanha, por exemplo, recomenda ferramentas preponderantemente revestidas por deposição física a vapor (PVD) para a usinagem de aços fundidos resistentes ao calor. O fundamento para essa abordagem é a menor solicitação térmica que ocorre sobre o material de corte durante o processo de revestimento e o arredondamento da aresta de corte consideravelmente menor que ocorre em comparação com ferramentas revestidas pelo processo de deposição química a vapor (CVD).
Os requisitos sobre o material de corte e os sistemas de revestimento podem ser resumidos como segue [6]:
Figura 3 – Fixação de uma carcaça de turbina com tubo de escapamento em forma de cotovelo em um centro de usinagem (Fonte: BorgWarner Turbo-Systems)
o substrato do material de corte precisa suportar altas solicitações térmicas;
o revestimento do material de corte serve tanto para promover o isolamento térmico como para minimizar o atrito;
é necessário que o revestimento apresente alta aderência e dureza.
No entanto, as opiniões dos especialistas quanto à questão das estratégias de refrigeração e lubrificação a serem adotadas são conflitantes. Enquanto uma parte deles é favorável à utilização da técnica convencional de refrigeração e lubrificação, outros preferem que a usinagem das carcaças das turbinas seja feita principalmente pelo uso da mínima quantidade de lubrificação (MQL) ou mesmo a seco.
Todos os participantes do levantamento, porém, concordaram que as operações de desbaste devem ser feitas com usinagem a seco para se evitar choques térmicos. A abordagem convencional de refrigeração e lubrificação é usada particularmente nos processos de torneamento de acabamento e furação de alargamento, para se alcançar a qualidade superficial desejada e garantir a remoção dos cavacos.
Além disso, houve consenso entre os especialistas consultados que, juntamente com a combinação de ferramenta e da estratégia de refrigeração e lubrificação, também as máquinas-ferramenta assumem um papel importante do ponto de vista de uma manufatura produtiva e econômica das carcaças para turbocompressores. Geralmente são usados centros de usinagem com cinco eixos apresentando alta rigidez, uma vez que estes podem aplicar altos torques, da ordem de 300 Nm durante a usinagem de desbaste, e de até 550 Nm ao utilizar combinações de ferramentas.
A rigidez das máquinas também deve receber atenção
Figura 4 – Ferramentas para usinagem da fita em forma de "V" no flanco de um turbocompressor (Fonte: Walter)
especial na usinagem dos complexos contornos internos das carcaças. O fato desses contornos estarem se deslocando cada vez mais profundamente rumo ao interior da carcaça requer o uso cada vez mais frequente de ferramentas que apresentam projeção cada vez maior, o que eleva a tendência à ocorrência de oscilações e vibrações da ferramenta-mandril-estrutura. Por esse motivo é importante que o mandril usado para a ferramenta apresente a maior rigidez possível.
Formação de rebarbas e vida útil da ferramenta
Conforme a opinião dos especialistas, o fresamento plano dos flancos da carcaça, os ciclos de furação e de furação para alargamento com ferramentas sequenciais complexas, bem como as operações necessárias para mandrilamento e torneamento de ranhuras, constituem as etapas críticas de usinagem do ponto de vista do desgaste da ferramenta e da produtividade. Um fator decisivo para a vida útil da ferramenta, particularmente no fresamento plano, é o aumento da formação de rebarbas sobre a periferia do componente devido ao crescente desgaste da ferramenta. As tolerâncias requeridas para as superfícies planas do componente, por exemplo, uma planicidade de 0,08 mm, geralmente são atendidas sem problemas.
A obtenção consistente das tolerâncias especificadas é decisiva para se atingir uma interação isenta de atrito entre os rotores do compressor e o da turbina associados ao eixo do turbocompressor. Sob esse aspecto, a Mahr oferece múltiplas soluções para se examinar as dimensões, desvios de posicionamento e falhas geométricas. O módulo MarSolution TC, por exemplo, possibilita a medição da carcaça do turbocompressor, seja por meio de execução autônoma, seja por integração direta na sequência de manufatura, dentro de um intervalo de tempo de 20 s. Já o módulo MarShaft Scope, por sua vez, pode determinar circularidade, folga, paralelismo, diâmetro e perfil superficial do eixo do turbocompressor e do rotor do compressor.
No passado, era necessário dispor de tornos e centros de usinagem para se fabricar carcaças para turbinas e compressores. Conceitos mecatrônicos de ferramentas, torneamento por interpolação ou ainda fresamento circular possibilitam hoje que esses componentes sejam completamente manufaturados usando-se um único centro de usinagem [4] (figura 3, pág. 20).
Já nos dias de hoje todas as operações necessárias de usinagem efetuadas na Daimler durante a fabricação de uma carcaça para turbina são executadas efetuando-se apenas duas fixações em máquinas-ferramenta. O uso de máquinas com duplo eixo-árvore pode efetivamente contribuir para elevar a produtividade, mas, conforme as informações da BorgWarner, elas ainda são limitadas, sobretudo durante a fabricação de rotores para turbinas e compressores. A razão para isso seria a rigidez eventualmente crítica das máquinas com dois eixos-árvore.
Usinagem da fita em "V"
Durante a fabricação de carcaças para turbinas a serem usadas em turbocompressores acionados por gases de exaustão do motor é necessário produzir uma série de contornos complexos. Um exemplo são as operações de usinagem necessárias para a assim chamada fita em "V". As estreitas tolerâncias da fita em "V", localizada sobre a carcaça
Figura 5 – Configuração de ferramenta com cabeçote para faceamento fabricada pela Grob (Fonte: Grob Werke)
das turbinas, podem ser atendidas ou por meio de usinagem por interpolação, ou por fresamento circular (figura 4, pág. 22).
De acordo com parte dos especialistas consultados, a usinagem por interpolação é adequada principalmente para a fabricação de pequenas séries de peças ou para aplicações nas quais o tempo de ciclo não constitui um critério decisivo. Já outros especialistas consideram o torneamento por interpolação como sendo um processo econômico, o qual, contudo, está associado a custos adicionais correspondentes à programação da máquina.
A Grob apresentou um fuso de motor com dispositivo integrado para avanço transversal especialmente desenvolvido para o caso da fabricação de peças com grande tamanho, o qual efetua o tor neamento de contor nos de peças complexas, e que foi apresentado na edição de 2014 da feira AMB (figura 5). Dessa forma, será possível no futuro, por exemplo, confeccionar os contornos internos de uma carcaça para turbocompressor feito com liga resistente ao calor numa única etapa e, por esse motivo, de forma consideravelmente mais econômica.
Sob o aspecto da redução de peso, o tamanho dos conjuntos do turbocompressor acionados pelos gases de exaustão serão ainda mais reduzidos no futuro, já que ocorrerá o correspondente aumento no número de rotações do eixo do turbocompressor. Também essa nova tendência de desenvolvimento criará novos desafios para a manufatura dos turbocompressores.
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