Avaliação da rugosidade superficial da madeira de Eucalyptus sp submetida ao fresamento periférico

Evaluation of wood surface roughness of Eucalypt species submitted to cutterhead rotation

Avaliação da rugosidade superficial da madeira de Eucalyptus sp submetida ao fresamento periférico

Evaluation of wood surface roughness of Eucalypt species submitted to cutterhead rotation

Camila Santos Doubek Lopes^I; Adriana Maria Nolasco^II; Mário Tomazello Filho^II; Carlos Tadeu dos Santos Dias^II

^IUniversidade Estadual de Londrina - Londrina, Paraná, Brasil

^IIEscola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz - Piracicaba, São Paulo, Brasil

RESUMO

Conduziu-se este trabalho, com o objetivo de avaliar a qualidade de superfície usinada da madeira de três espécies de Eucalyptus sp, para a produção de produtos madeireiros. Para os ensaios, foram confeccionados e usinados 48 corpos de prova de madeira de cada espécie, nos tratamentos de usinagem em fresadora de eixo vertical, no sentido discordante, em sete velocidades. Na avaliação da qualidade da superfície dos corpos de prova de madeira, utilizou-se o rugosímetro marca Taylor Hobson modelo Surtronic 3+, utilizando o filtro 2CR, com comprimento de amostragem com 0,80 Ie ou ln (mm) e cut-off de 0,80 λc (mm). Os resultados indicaram que a madeira do E. urophylla apresentou a melhor qualidade de superfície com os menores valores de coeficiente de variação; a madeira do E. grandis mostrou-se intermediária e a do E. dunnii apresentou o pior desempenho e o maior valor de coeficiente de variação. Observou-se, também, que o desempenho dos tratamentos para a madeira das espécies de Eucalyptus sp mostrou relação da redução da velocidade de avanço da usinagem com a rugosidade superficial; melhor na de 3-4 m.min^-1 e pior na de 22 m.min^-1. Constatou-se, também, que a qualidade da superfície da madeira usinada relacionou-se com a sua densidade e tipo de grã.

Palavras chave:E. dunnii, E. grandis, E. urophylla, Trabalhabilidade da madeira, Acabamento superficial

ABSTRACT

This work evaluated the quality of roughness surface of 18 years-old Eucalyptus grandis, E. dunnii and E. urophylla trees wood, to produce prepared 48 furniture. For the laboratory essays samples/species were prepared in the machining treatments in milling machine of vertical axis, in the up milling direction, in seven cut speeds (3 to 22 m.min^-1). In the evaluation of the surface quality of the wood samples it was used the surface profiling instrument Taylor Hobson model Surtronic 3+, using the filter 2CR, with sampling length of 0,80 Ie or ln (mm) and cut-off of 0,80 λc (mm). The results indicated that the E. urophylla wood presented the best surface quality and with the smallest values of variation coefficient; the E. grandis wood showed intermediate values and E. dunnii wood presented the worst performance, as well as the largest value of variation coefficient. It was observed, also, that the treatment effect for the three eucalyptus wood species was related with the machining speed; better in the 3-4 m.min^-1 and worse in the 22 m.min^-1. The surface quality of the machined wood was related to its density, with the eucalyptus species of denser wood presenting the best quality of machined surface.

Keywords:E. dunnii, E. grandis, E. urophylla, Wood machinability, Roughness surface

INTRODUÇÃO

O potencial da madeira das espécies de eucalipto na fabricação de produtos sólidos vem sendo estudado no Brasil há algumas décadas. Nos últimos anos, verifica-se um aumento das pesquisas, visando a indicar as espécies potenciais de eucalipto para a produção de madeira de maior potencial, por meio da determinação das suas características anatômicas, físicas, químicas e mecânicas. Isso se deve, em grande parte, à necessidade de encontrar madeiras de plantações florestais que substituam às das espécies nativas, que apresentam restrições de exploração, escassez e custos elevados de transporte para os centros industriais e de consumo (OLIVEIRA, 1997).

Os estudos sobre a qualidade da superfície usinada, madeira de espécies de Eucalyptus, têm sido realizados no Brasil, por diversos autores (SILVA et al., 2005, 2007, 2009; SOUZA et al., 2009) indicando o potencial do gênero para a utilização da madeira para a produção de móveis, para uso sólido e de maior valor agregado. A otimização do processo de usinagem da madeira resulta em vantagens, como a diminuição do custo energético demandado pelas máquinas operatrizes, maior aproveitamento da madeira, aumento da vida útil das ferramentas e da produtividade e redução dos custos de usinagem e do produto final (SILVA, J. C., 2002).

A usinagem da madeira pode ser expressa pela função 5M, que compreende a (i) matéria-prima, relacionada com as propriedades intrínsecas da madeira, como a estrutura anatômica, a umidade e a grã; (ii) máquina, referente aos seus aspectos construtivos, como os dispositivos de fixação, condução e de exaustão dos cavacos; (iii) metodologia, que engloba a definição dos parâmetros de usinagem; (iv) mão de obra, considerando o treinamento dos operadores e o (v) meio ambiente, com as operações evitando a degradação do ambiente, objetivando o melhor aproveitamento da matéria-prima e minimizando os resíduos (BONDUELLE, 2003).

No processo de usinagem da madeira (Figura 1) são produzidas pequenas ondulações na sua superfície da madeira, denominadas de avanço por dente (fz). A medida do avanço por dente é resultado da interação entre a (i) velocidade de avanço (Vf) em m.min^-1 correspondente ao movimento da peça de madeira e a ferramenta de corte; (ii) número de dentes (z) e a (iii) rotação (n). O avanço por dente (fz) e a velocidade de avanço (Vf) são importantes parâmetros e inversamente proporcionais à qualidade da superfície da madeira, ou seja, quanto menores os valores de fz e Vf, melhor é a qualidade da superfície da peça de madeira. A velocidade de avanço (Vf) varia em função do tipo e da densidade da madeira, sendo que as de menor densidade são, normalmente, trabalhadas com uma maior velocidade de corte maior (SILVA et al., 2006).

Existem inúmeras técnicas de avaliação da qualidade da superfície da madeira usinada, como o apalpamento mecânico, ótica paramétrica e não paramétrica, microscopia, emissão acústica, ultrassom, pneumática, avaliação do tipo de cavaco, capacitância, laser, etc. (AGUILERA; MARTIN, 2001; CASTRO, 2000). Na avaliação da qualidade de um perfil bidimensional da superfície da madeira, pode-se utilizar o rugosímetro, aplicado na análise da rugosidade e da superfície de metais, plásticos, etc., medindo a superfície segundo a variação vertical, em um deslocamento horizontal (SILVA et al., 2006). O valor da rugosidade (Figura 2) é função dos parâmetros da expressão matemática entre a variação vertical das superfícies (picos e vales) e o deslocamento horizontal do sensor (agulha), sendo os parâmetros divididos em 3 classes, em função da medida da profundidade da rugosidade, na horizontal e na proporcional (BONDUELLE, 2003).

Em relação às espécies, verificou-se que a madeira do E. grandis apresentou o melhor acabamento de superfície em baixas velocidades de alimentação na operação de fresagem nos sentidos longitudinal ou paralelo às fibras, de acordo com Silva et al. (2006) que obtiveram melhor qualidade do acabamento superficial nas peças de madeira processadas a 15 m.s^-1 em relação à de 30 m.s^-1 de velocidade de avanço (Vf). Da mesma forma, o valor e a heterogeneidade da densidade ao longo da peça de madeira usinada das espécies de Eucalyptus, influenciam na rugosidade superficial (AGUILERA; MARTIN, 2001). Ainda, neste aspecto, Silva et al. (2009) atestaram que a redução de qualidade da superfície da peça de madeira está relacionada com a sua estrutura anatômica, pois, além de aumentar o avanço por dente, altas velocidades de avanço provocam maior arrancamento das fibras.

Pelo exposto, neste trabalho, objetivou-se analisar a rugosidade superficial da madeira de Eucalyptus grandis, E. dunnii e E. urophylla fresadas perifericamente em 7 velocidades de avanço nominais.

MATERIAL E MÉTODOS

Espécies de Eucalyptus selecionadas

Foram selecionadas 9 árvores de E. grandis, E. urophylla e E. dunnii (3 árvores/espécie, 18 anos) de plantações florestais da Estação Experimental do Departamento de Ciências Florestais da ESALQ/USP, localizada em Anhembi/SP (22º47' lat. S, 48º09' long. W, 500 m alt., relevo suavemente ondulado e clima CWA).

Amostragem e preparo dos corpos de prova de madeira

Do tronco das árvores foram cortadas duas toras (4 m de comprimento) e desdobradas em pranchas tangenciais em serra de fita simples. As pranchas de madeira foram mantidas em área coberta e com ventilação natural para a secagem ao ar livre até atingir a umidade de equilíbrio de cerca de 12%. Foram cortados 48 corpos de prova de madeira (15 x 3 x 115 cm; largura, espessura, comprimento) para cada espécie e, em seguida, realizadas 3 medições/corpo de prova com o rugosímetro em um total de 432 medições.

Fresamento periférico dos corpos de prova de madeira

Aplicou-se o fresamento cilíndrico periférico (Figura 3), compreendendo a usinagem dos corpos de prova de madeira em uma fresadora de eixo vertical (tupia), no sentido discordante, em 7 velocidades de avanço nominais (3, 4, 6, 8, 11, 15 e 22 m.min^-1). Na usinagem dos corpos de prova de madeira, a fresadora de eixo vertical (tupia moldureira) foi regulada a uma rotação de 3450 rpm, com cabeçote de fresa com faca de aço rápido de diâmetro de 92 mm e largura de 40 mm, com ângulo de ataque ou saída γ_f = 30º e ângulo livre α_f = 10º, com dispositivo de avanço mecânico. A usinagem da superfície dos corpos de prova de madeira foi realizada no sentido paralelo às fibras (90º-0º), com a aresta de corte em um ângulo de 90º com a direção das fibras e a família de corte a 0º com a direção das fibras. Na geração da superfície usinada dos corpos de prova de madeira, o dispositivo de avanço mecânico teve a função de manter a pressão constante e a velocidade pré-definida e assegurar o contato lateral total entre o corpo de prova e a guia anterior.

A rotação do eixo da tupia moldureira foi mensurada com tacômetro manual, com 5 medições na aplicação do cálculo do valor médio de 5.814 rpm. Determinou-se, inicialmente, a velocidade do eixo Vc (m.seg^-1) da tupia moldureira, por meio da Equação 1, sendo d: diâmetro da ferramenta de corte (mm) e n: rotação do eixo da máquina (rpm).

O avanço por dente f_z (mm), ou seja, a transição da peça-obra durante os sucessivos cortes foi expressa pela Equação 2, sendo Vf = velocidade de avanço (mm.min^-1); z = número de dentes da ferramenta e n = rotação do fuso (rpm).

Na operação de fresamento, a avaliação do desgaste da ferramenta de corte e a qualidade superficial são importantes, aplicando como indicador a qualidade do plano usinado, conforme adotado no trabalho.

Avaliação da rugosidade superficial da madeira

Foi aplicada metodologia utilizada Castro (2000) e Gonçalves (1993), consistindo no apalpamento mecânico pelo rugosímetro Taylor Hobson, modelo Surtronic 3+, com haste de medição com ponta de diamante, de forma cônica-esférica, raio de ponta de 2 e filtro 2CR. O parâmetro determinado foi o Ra (µm), utilizado na medição de superfície nos processos de fabricação de produtos da madeira e de outros materiais, constituído da média aritmética dos valores absolutos das ordenadas de afastamento (yi), dos pontos do perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro do percurso de medição (lm) (Tabela 1) (GONÇALEZ et al., 2006).

Análise estatística

Efetuou-se, inicialmente, a análise exploratória dos dados de cada velocidade de avanço (teste de homogeneidade de variância outliers, escala e tamanho da amostra). Aplicou-se, em seguida, a análise da variância com a comparação das médias dos fatores e a interação das variáveis (teste de Tukey, nível de significância de 0,05), considerando a madeira das 3 espécies de Eucalyptus e as 7 diferentes velocidades, em ensaio fatorial 3x7. Os dados foram analisados pelo sistema SAS versão 9.1.3, Service Pack 2, XP Plataform, 2002-2003 SAS Institute Corp. Cary, NC, USA.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados da aplicação das 7 velocidades de avanço na qualidade da superfície da madeira usinada (Tabela 2, Figura 4) indicam os menores valores médios de Ra para a madeira do E. urophylla, com diferença estatística entre as espécies, evidenciando um desempenho notadamente superior da qualidade da superfície. O melhor resultado para a madeira do E. urophylla - de maior densidade (0,69 g.cm^-3) - corrobora o reportado por Aguilera e Martin (2001), Castro (2000), McKenzie et al. (2001), Neri et al. (1999) e Silva et al. (2005) dentre outros. Por outro lado, os maiores valores médios de Ra relacionam-se com o pior desempenho da madeira do E. dunnii, de densidade 0,61 g.cm^-3 e com as fibras formando a grã caracterizada como revessa. A disposição das fibras em grã revessa na madeira de espécies de Eucalyptus, a exemplo do E. grandis e do E. cloeziana, interfere no processo de usinagem e, dessa forma, afeta a qualidade da superfície da madeira, conforme destacam Castro (2000) e Gonçalez et al. (2006).

Nas velocidades de avanço de 3, 8 e 11 m.min^-1 não foram verificadas diferenças significativas na qualidade da superfície da madeira usinada das 3 espécies de Eucalyptus, com desempenho similar na velocidade de 11 m.min^-1. Para o E. dunnii, os maiores Ra (pior desempenho de qualidade da superfície) foram obtidos a 3 e 8 m.min^-1; para o E. grandis, os menores Ra (melhor qualidade da superfície) a 3 e 11 m.min^-1 e para o E. urophylla, o menor e maior Ra (melhor e pior qualidade da superfície) a 8 e 11 m.min^-1, respectivamente.

No entanto, foram verificadas diferenças na qualidade da superfície da madeira usinada das 3 espécies de Eucalyptus nas velocidades de avanço de 4, 6, 15 e 22 m.min^-1. A madeira do E. dunnii mostrou o Ra mais elevado a 4,0 e 6,0 m.min^-1 diferindo estatisticamente das 2 espécies; para o E. grandis o Ra mais alto foi de 15 e 22 m.min^-1; para o E. urophylla, o menor Ra foi a 4, 6, 15 e 22 m.min^-1, sendo similar ao do E. grandis.

Ainda, em termos médios, para a madeira das três espécies de Eucalyptus, as menores velocidades de avanço promoveram os menores valores de Ra, indicando a melhor qualidade da superfície da madeira, com a rotação e o número de dentes da ferramenta mantidos constantes. A tendência de aumento dos valores de Ra com o da velocidade de avanço é concordante com a literatura (BONDUELLE, 2003; CASTRO, 2000; GONÇALVES, 2003), constatando-se que a altura dos picos produzidos pela ferramenta aumenta exponencialmente com o avanço por dente (fz) ou com a velocidade de avanço (Vf). Para a madeira do E. grandis e do Corymbia citriodora, as médias totais de Ra por Vf resultaram em significativa melhoria da rugosidade superficial das peças, proporcional à diminuição da Vf (GONÇALVES, 2003).

A madeira do E. dunnii apresentou valores de Coeficiente de Variação mais altos para todas as velocidades de avanço, exceto a 11,0 m.min^-1, indicando maior heterogeneidade das suas características, não recomendado no processo industrial. Os menores e maiores valores de CV foram obtidos na menor velocidade e a 11 m.min^-1, embora, sem diferença para as médias da madeira das três espécies de Eucalyptus.

O lasqueamento, arrancamento e o arrepiamento das fibras na superfície da madeira usinada foram os principais defeitos observados nos ensaios laboratoriais. A madeira das espécies de Eucalyptus de menor densidade básica possui, normalmente, sua estrutura anatômica caracterizada por células de parede fina, de maior largura e diâmetro do lume e maior porcentagem de parênquima, que são danificadas por arrancamento na usinagem, resultando em rugosidade superficial grosseira e de baixa qualidade do acabamento (CASTRO, 2000; SILVA, J. R., 2002). Por outro lado, as espécies de madeira de maior densidade apresentam menor valor de rugosidade superficial, pela relação da densidade/resistência mecânica e pela dificuldade de penetração dos dentes do equipamento, influenciando no esforço de corte e acabamento final da superfície da madeira (AGUILERA; MARTIN, 2001; CASTRO, 2000; MCKENZIE et al., 2001; NÉRI et al., 1999).

CONCLUSÕES

Os resultados da avaliação da qualidade da superfície usinada da madeira das três espécies de Eucalyptus permitem concluir que: a qualidade da superfície da madeira usinada do E. urophylla, de maior densidade básica, foi superior com o aumento do avanço por dente (fz) e pela velocidade de avanço (Vf); os melhores resultados da qualidade da superfície da madeira usinada, indicam a espécie para a utilização em movelaria e na indústria de produtos de maior valor agregado; a madeira do E. dunnii, de menor densidade básica e fibras dispostas em grã revessa, apresentou o pior desempenho de qualidade da superfície usinada, mesmo com o aumento do avanço por dente (fz) e da velocidade de avanço (Vf); a madeira do E. grandis apresentou desempenho intermediário de qualidade da superfície usinada, mostrando visível melhoria com o aumento do avanço por dente (fz) e da velocidade de avanço (Vf); e pelo valor médio obtido para a madeira das três espécies de Eucalyptus, verifica-se que a rugosidade superficial variou com o aumento do avanço por dente (fz), da velocidade de avanço (Vf) e com a densidade básica e o tipo de grã da madeira.

Recebido 19/02/2010

Aceito 10/12/2013

Correspondência: [e-mail]

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  09 Out 2014
• Data do Fascículo
  Set 2014

Histórico

• Aceito
  10 Dez 2013
• Recebido
  19 Fev 2010