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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Flávio Bonato Pereira
Monitoramento do acabamento superficial da peça
através de emissão acústica na retificação
centerless de passagem
São João del-Rei, 2013
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Flávio Bonato Pereira
Monitoramento do acabamento superficial da peça
através de emissão acústica na retificação
centerless de passagem
Dissertação apresentada ao Programa de
Mestrado em Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de São João del-Rei como
requisito para a obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Materiais e Processos de
Fabricação
Orientador: Prof. Dr. Lincoln Cardoso Brandão
São João del-Rei, 2013
Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca da
UFSJ
Pereira, Flávio Bonato
P436m Monitoramento do acabamento superficial através de emissão acústica na retificação centerless de passagem[manuscrito] / Flávio Bonato Pereira . – 2013.
86f.; il.
Orientador: Lincoln Cardoso Brandão
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de Engenharia Mecânica .
Referências: f. 87-92.
1. Retificação centerless - Teses. 2. Acústica – emissão - Teses. 3. Rugosidade –
Teses.
4. Monitoramento – acústica -Teses. I. Brandão, Lincoln Cardoso(orientador) II.
Universidade Federal de São João Del- Rei. Departamento de Engenharia Mecânica. III. Título
CDU: 534
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Monitoramento do acabamento superficial da peça
através de emissão acústica na retificação
centerless de passagem
Autor: Flávio Bonato Pereira
Orientador: Prof. Dr. Lincoln Cardoso Brandão
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
São João del-Rei, 19 de março de 2013.
Dedico este trabalho à minha querida esposa Pollyanna, ao meu filho Thomaz, à
minha filha Stella, aos meus pais Roberto e Fátima, às minhas sobrinhas Helena e
Alice e às minhas irmãs Adriana, Marisa e Roberta.
AGRADECIMENTOS
Ao meu DEUS, que me supre de força e coragem para seguir minha estrada.
À minha querida esposa Pollyanna, pela ajuda e compreensão nos momentos
em que precisei me ausentar para os estudos.
Ao meu pequeno filho Thomaz, que, nos momentos difíceis, sempre nos traz
alegrias. À minha filha Stella, que, ainda no ventre da mãe, transparece paz e força.
Aos meus pais Roberto e Fátima, por terem me proporcionado estudar e ser o
homem que sou; em especial à minha mãe, por sempre estar ao nosso lado pronta a
ajudar.
À minha irmã Marisa, que já venceu esta etapa e me auxiliou a vencer a
minha.
À D. Lurdinha e ao Leonardo, que também me apoiaram nesta conquista.
Ao meu orientador Prof. Dr. Lincoln Cardoso Brandão, que nos auxiliou
durante a caminhada e sempre esteve à disposição.
A todos os professores e colegas de mestrado, pela oportunidade de
aprender e conviver.
A Magneti Marelli, por nos disponibilizar seus recursos para nossa formação.
Aos amigos Sérgio Ribeiro e Breno Elisei, pela colaboração e disposição.
A todos, que direta e indiretamente, fizeram parte desta conquista.
Não tentes ser bem-sucedido, tenta antes ser um homem de valor.
Albert Einstein
RESUMO
PEREIRA, F. B. Monitoramento do acabamento superficial da peça através de
emissão acústica na retificação centerless de passagem. Dissertação (Mestrado) –
Universidade Federal de São João del-Rei, São João del-Rei, 2013.
O processo de retificação centerless de passagem pode se considerado um
processo de alta precisão e de alta complexidade na fabricação de componentes. Na
indústria metal-mecânica, é largamente aplicado quando se necessita de tolerâncias
dimensionais e acabamento superficial restritos. Por outro lado, esse processo
demanda um grande tempo de experiência por parte dos operadores, pois envolve
uma quantidade de variáveis que podem interferir no processo. A principal finalidade
deste trabalho foi verificar a aplicação de monitoramento do acabamento superficial
da peça através de sinais de emissão acústica. Assim, espera-se, com a aplicação
do sistema de monitoramento via emissão acústica, diminuir a dependência do
homem para determinar o momento de intervenção no processo. O material
retificado foi o aço ABNT 1035 com dimensões entre 12,8 mm de diâmetro e
comprimento de 400 mm. Para aquisição dos sinais de emissão acústica, foi
utilizado um sensor piezelétrico, acoplado na régua de apoio da peça no vão de
retificação. Os ensaios consistiram em realizar a preparação do equipamento (setup)
e a dressagem do rebolo, iniciar a produção e então, em intervalos de tempos
definidos, registrar os sinais de emissão acústica obtidos durante testes e confrontar
os níveis desses sinais com os valores de rugosidades encontrados. Observou-se
que os valores de rugosidade ao final do tempo estudado não demostraram uma
tendência de piora. No entanto, a dispersão dos valores aumentou nos tempos
finais. Por outro lado, a frequência dos sinais de emissão acústica mostrou uma
tendência clara de aumento quando do início dos testes para o final dos testes.
Palavras-chave: Retificação Centerless, Emissão Acústica, Rugosidade, Dressagem.
ABSTRACT
PEREIRA, F. B. Monitoring of the superficial finishing in work pieces using acoustic
emission in through-feed centerless grinding. M.Sc. Thesis – Federal University of
São João del-Rei, São João del-Rei, 2013.
The through-feed centerless grinding process is a high-precision process with high
complexity. In the metalworking industry, it is widely applied when there is the
necessity of accurate tolerances and excellent finishing. Moreover, the through-feed
centerless grinding requires a great time of experience from the operators, because
there are several variables that may interfere in the process. The main purpose of
this work was to check the application of indirect monitoring of the work piece’s
quality through acoustic emission signals. Thus, it was expected to reduce the
dependence of the operator to determine the correct moment of interference during
the process. The material was the ABNT 1035 steel with 12.8 mm of diameter and
400 mm of length. The acoustic emission signals were recorded using the
piezoelectric sensor fixed in the regulation ruler into the grinding gap. The dressing
operation was carried before the tests, and then the production was started with
defined intervals to record the acoustic emission signals and define the relation these
signals values with the surface roughness. It was observed that the work piece
roughness in the end of the monitored time did not in a tendency of worst, but the
dispersion of the values was worst in the lasted times monitored. On the other way,
the frequency of acoustic emission signal showed a clear tendency of increase, when
it was in the beginning of the tests to the end.
Keywords: Centerless Grinding, Acoustic Emission, Surface Roughness, Dressing.
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
A/D – Analógico/Digital
ANOVA – Analysis of Variance
ANSI – American National Standards Institute
CBN – Cubic Boron Nitride
DIN – Deutsches Institut für Normung
DOE – Design of Experiments
EA – Emissão Acústica
END – Ensaio Não Destrutivo
FAP – Fast Abrasive Power
ISO – International Organization for Standardization
Hz – Hertz (unidade de frequência)
Mesh – escala de medida para partículas pequenas
RMS – Root mean square
Rz – Rugosidade de profundidade média
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Formação de cavaco por um abrasivo. ...................................................... 8
Figura 2 – Codificação de rebolos. ............................................................................ 15
Figura 3 – Mecanismos de desgaste do rebolo: A – desgaste por atrito, B – fratura
do grão abrasivo e C – fratura do aglomerante devido ao desgaste. ........................ 16
Figura 4 – Parâmetros da operação de dressagem. ................................................. 21
Figura 5 – Macroefeito e microefeito na dressagem de rebolos. ............................... 22
Figura 6 – Esquema de retificação centerless........................................................... 24
Figura 7 – Processo de retificação centerless de passagem. ................................... 25
Figura 8 – Variáveis de entrada e saída para máquinas e processos de retificação. 29
Figura 9 – Características da emissão acústica. ....................................................... 30
Figura 10 – Principais fontes de ondas elásticas na retificação. ............................... 32
Figura 11 – (a) Sinal ideal de retificação e (b) Representação acústica do setup
inadequado de trabalho. ............................................................................................ 33
Figura 12 – Fenômenos de reflexão e refração nas fronteiras do material sob a fonte
de emissão acústica (L, onda longitudinal; T, onda transversal; e S, onda superficial).
.................................................................................................................................. 34
Figura 13 – Formação de cavaco na retificação. ....................................................... 36
Figura 14 – Mecanismos de desgaste. ...................................................................... 37
Figura 15 – Fontes de EA em retificação. ................................................................. 38
Figura 16 – Sensor piezelétrico de emissão acústica. .............................................. 39
Figura 17 – Posições possíveis dos sensores de força, EA e potência em
retificadoras. .............................................................................................................. 40
Figura 18 – Esquema para aquisição do sinal de EA. ............................................... 40
Figura 19 – Sinal puro de EA. ................................................................................... 41
Figura 20 – Filtragem do sinal puro de EA. ............................................................... 42
Figura 21 – Relação EA (RMS²) e força de corte (FH). ............................................. 43
Figura 22 – Frequência para o processo de torneamento (para diferentes materiais).
.................................................................................................................................. 44
Figura 23 – Frequência para o processo de fresamento (para fresa nova e fresa
gasta e diferentes materiais). .................................................................................... 45
Figura 24 – Sinal de EA na retificação. ..................................................................... 46
Figura 25 – Deformações nas zonas de corte. .......................................................... 47
Figura 26 – Modo de EA, força de corte x desgaste de flanco. ................................. 47
Figura 27 – Relação Dressagem versus sinal EA versus rugosidade. ...................... 48
Figura 28 – Sinais acústicos de dressagem para os rebolos reto e perfilado. .......... 49
Figura 29 – Concepção básica do sistema de mapeamento. .................................... 50
Figura 30 – Procedimento de construção do mapa do rebolo no processo de
retificação centerless. ................................................................................................ 51
Figura 31 – Procedimento de construção do mapa do rebolo no processo de
dressagem................................................................................................................. 52
Figura 32 – Retificadora Centerless de Passagem Cincinati RK 350/20. .................. 54
Figura 33 – Amortecedor em corte. ........................................................................... 55
Figura 34 – Corpo de prova – haste de amortecedor. ............................................... 56
Figura 35 – Refratômetro ATAGO N1-E Brix 0~32%. ............................................... 56
Figura 36 – Perfil de rugosidade Ra. ......................................................................... 57
Figura 37 – Perfil de rugosidade Rz. ......................................................................... 58
Figura 38 – Rugosímetro digital MAHR PERTHOMETER M2................................... 59
Figura 39 – Detalhe da medição (apalpador e corpo de prova). ............................... 59
Figura 40 – Condicionador de sinal modelo SENSIS DM-42 e sensor piezoelétrico. 60
Figura 41 – Transdutor de sinal A/D, National Instruments, modelo PCI-6210E. ...... 61
Figura 42 – Esquema de montagem do sistema de aquisição de sinais. .................. 62
Figura 43 – Detalhe do alojamento do sensor de EA. ............................................... 62
Figura 44 – Detalhe da Montagem dos equipamentos. ............................................. 63
Figura 45 – Gráfico comparativo dos valores de rugosidade. ................................... 69
Figura 46 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 1 no tempo 0 minuto. 70
Figura 47 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 2 no tempo 5 minutos.
.................................................................................................................................. 71
Figura 48 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 3 no tempo 10 minutos.
.................................................................................................................................. 71
Figura 49 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 4 no tempo 15 minutos.
.................................................................................................................................. 72
Figura 50 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 5 no tempo 20 minutos.
.................................................................................................................................. 72
Figura 51 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 6 no tempo 25 minutos.
.................................................................................................................................. 73
Figura 52 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 7 no tempo 30 minutos.
.................................................................................................................................. 74
Figura 53 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 8 no tempo 35 minutos.
.................................................................................................................................. 74
Figura 54 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 9 no tempo 40 minutos.
.................................................................................................................................. 75
Figura 55 – Gráfico do sinal médio de emissão acústica das amostras 1 a 9 nos
tempos 0 a 40 minutos. ............................................................................................. 76
Figura 56 – Gráfico do sinal de EA de várias peças durante a retificação no tempo 0
minuto. ...................................................................................................................... 77
Figura 57 – Gráfico do sinal de emissão acústica de várias peças durante a
retificação no tempo 40 minutos. ............................................................................... 78
Figura 58 – Gráfico comparativo entre os valores de Rugosidade e EA média. ....... 78
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Processos Fundamentais de Usinagem Abrasiva. .................................... 6
Quadro 2 – Dureza Knoop para os materiais abrasivos mais comuns. ..................... 10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Resultados de rugosidade medidos no INÍCIO do corpo de prova. ......... 67
Tabela 2 – Resultados de rugosidade medidos no MEIO do corpo de prova. .......... 68
Tabela 3 – Resultados de rugosidade medidos no FIM do corpo de prova. ............. 68
Tabela 4 – Valores médios do sinal de emissão acústica. ........................................ 76
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 1
2 REVISÃO DE LITERATURA ......................................................................................................... 4
2.1 PROCESSO DE RETIFICAÇÃO.............................................................................................. 5
2.2 MATERIAIS ABRASIVOS ..................................................................................................... 9
2.3 REBOLOS ......................................................................................................................... 11
2.4 MATERIAIS AGLOMERANTES .......................................................................................... 14
2.5 REBOLOS CONVENCIONAIS ............................................................................................. 15
2.6 MECANISMOS DE DESGASTE DOS REBOLOS .................................................................. 15
2.7 VIDA DOS REBOLOS ......................................................................................................... 17
2.8 DRESSAGEM DO REBOLO ................................................................................................ 19
2.9 CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE RETIFICAÇÃO ........................................................ 23
2.10 CLASSIFICAÇÃO DO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO CENTERLESS..................................... 24
2.10.1 RADIAL OU DE MERGULHO ........................................................................................ 24
2.10.2 LONGITUDINAL OU DE PASSAGEM ............................................................................ 25
2.11 PARÂMETROS DE CARACTERIZAÇÃO DO PROCESSO .................................................... 26
2.12 FORÇAS DE CORTE ........................................................................................................ 27
2.13 CARACTERÍSTICAS DE UMA RETIFICADORA .................................................................. 28
2.14 EMISSÃO ACÚSTICA (EA) ............................................................................................... 29
2.15 GERAÇÃO DE SINAIS ACÚSTICOS NA RETIFICAÇÃO ...................................................... 35
2.16 SENSOR DE EA ............................................................................................................... 38
2.17 AQUISIÇÃO DO SINAL DE EA ......................................................................................... 40
2.18 ESPECTRO ACÚSTICO .................................................................................................... 41
2.19 MONITORAMENTO DE SINAIS ACÚSTICOS ................................................................... 42
3 MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................................................... 53
3.1 EQUIPAMENTOS E MATERIAIS UTILIZADOS.................................................................... 54
3.1.1 MÁQUINA RETIFICADORA ............................................................................................ 54
3.1.2 REBOLOS ...................................................................................................................... 54
3.1.3 CORPO DE PROVA ........................................................................................................ 55
3.1.4 FLUÍDO DE CORTE ........................................................................................................ 56
3.1.5 RUGOSÍMETRO ............................................................................................................. 57
3.1.6 SENSOR DE EMISSÃO ACÚSTICA .................................................................................. 59
3.1.7 SOFTWARES ................................................................................................................. 60
3.1.8 INSTRUMENTOS ADICIONAIS ....................................................................................... 60
3.2 MONTAGEM EXPERIMENTAL .......................................................................................... 61
3.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................................................................... 63
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ................................................................................................... 67
5 CONCLUSÕES ......................................................................................................................... 81
6 REFERÊNCIAS ......................................................................................................................... 83
CAPÍTULO 1
1 INTRODUÇÃO
O mundo continua num processo de abertura comercial que expõe, cada
vez mais, as empresas a uma acirrada competição pela preferência do
mercado consumidor, que, por sua vez, vem exigindo produtos com qualidade
mais elevada, preços menores e mais duráveis. Este cenário tem feito com que
os gestores travem diariamente uma batalha em busca da melhor relação custo
vs. benefício e leva as indústrias a buscarem a otimização dos seus processos
de produção.
Os processos de manufatura têm aumentado sua importância nos países
industrializados de maneira incontestável, principalmente devido aos novos
paradigmas que vêm surgindo, que tornam alguns métodos ultrapassados e
algumas tecnologias obsoletas. Um bom exemplo de surgimento de novos
paradigmas é a evolução no ramo de eletrônicos, que aliado à informática são
os propulsores desta nova revolução industrial.
Para se ter um produto sinônimo de eficiência a baixo preço, é preciso
buscar a melhoria contínua dos seus processos de manufatura. A globalização,
ainda crescente, facilita mais as importações. Com isso, surgem novos
competidores, com suas diferentes realidades, culturas e níveis de
desenvolvimento. Isso exige que os investimentos em novas tecnologias e
capacitação de pessoal busquem, a cada plano de investimento, uma
proporção maior.
Todo esse esforço em busca da tão comentada “sobrevivência” industrial
se traduz resumidamente em duas palavras: qualidade e produtividade. A
qualidade está diretamente ligada à capacidade da organização em dominar a
variabilidade (MONTGOMERY, 1997) e a produtividade é o efeito dessa
capacidade. Claro que existem outros meios de conquistar a confiança e
fidelidade dos clientes, tais como: prazo de entrega, flexibilidade, confiabilidade
e durabilidade, entre outros aspectos considerados intangíveis.
A indústria automobilística é outro bom exemplo de mercado que enfrenta
diariamente todas essas dificuldades mencionadas anteriormente. Hoje, os
carros são titulados “globais”, ou seja, o carro que você compra na América
Latina é o mesmo à venda na América do Norte, Europa ou Ásia. No entanto,
cada cliente tem sua preferência. Então, este conceito de “global” se inverte
para um conceito de “único”. Por exemplo, a suspensão dos carros: cada país
tem sua condição de estradas. Isso faz com que a suspensão seja
dimensionada de acordo com a região onde o carro vai trafegar. Já imaginou a
linha de produção de uma montadora? Você está produzindo um carro com
várias versões. Então, como garantir a qualidade e produtividade se a cada
momento, ou melhor, a cada carro, seu potencial de erro aumenta? No
segmento de autopeças, esta discussão não é diferente. Talvez um pouco pior,
porque está entre duas fortes extremidades. De um lado, os grandes
fornecedores (por exemplo: fornecedores de aço) e, do outro, as montadoras.
Isso torna muito reduzido o poder de “negociação”. Daí, parte-se para a
redução dos custos de fabricação por meio da redução das perdas e
desperdícios, otimizando os processos e elevando a formação dos seus
colaboradores.
O objeto deste estudo foi avaliar a fabricação de haste de amortecedor,
na etapa de retificação, utilizando o processo de retificação centerless. O
processo centerless é reconhecido como complexo devido à dificuldade em
interpretar os fenômenos que ocorrem durante a usinagem por abrasão sob a
influência de uma quantidade de fatores e parâmetros que envolvem o
processo (KLOCKE et al., 2004). A retificação centerless foi desenvolvida em
1915 (FRIEDRICH, 2005) e é largamente aplicada para a usinagem de
precisão, em que as tolerâncias, relacionadas ao diâmetro e rugosidade, são
extremamente restritas, além de geralmente estarem vinculadas à necessidade
de produção seriada.
A produtividade em retificação ainda pode ser considerada fortemente
dependente da experiência e habilidade dos operadores. As principais tarefas
dos operadores na retificação são fazer um apropriado setup da máquina, fazer
a dressagem dos rebolos nos intervalos corretos, supervisionar o processo e
ajustar as condições de retificação quando inesperadas anormalidades
ocorrerem durante a retificação (KIM; KIM; AHN, 2001).
Diversos parâmetros são determinados empiricamente ou através do
feeling dos operadores mais experientes devido à falta de informação e
recursos para determinação das variáveis que envolvem o processo
(GONÇALVES NETO, 2008). Com o notável desenvolvimento em tecnologias
de sensores e do avanço das tecnologias da inteligência artificial nos últimos
anos, muitas pesquisas sobre o acompanhamento do processo de retificação
foram realizadas (p. ex.: SAKAKURA, 1993).
Vários sinais, como força de corte, vibração, emissão ultrassônica e
emissão acústica (EA), têm sido usados para monitoramento no processo de
retificação. A medição do sinal de EA surge como uma área relativamente nova
e promissora nesse campo de pesquisa. Isso em função do alto número de
fenômenos de retificação que emitem esse sinal, sua rapidez de resposta,
baixa interferência de ruídos, baixa intrusividade, facilidade de operação de
seus equipamentos e custo relativamente baixo (SOUTO, 2007).
Sendo assim, este projeto tem como objetivo principal apresentar um
estudo de monitoramento do acabamento superficial da peça, medida pela
característica rugosidade, através de sinais de EA no processo de retificação
centerless longitudinal de passagem. Com isso, espera-se ter informações
mais precisas para os operadores do processo produtivo de quando
interferirem no processo.
Para atingir os objetivos, este projeto foi estruturado da seguinte maneira:
Capítulo 2: Revisão Bibliográfica – procurou-se descrever os princípios
básicos do processo de retificação, enfatizando-se a retificação centerless
longitudinal, além de apresentar os fundamentos de monitoramento dos
processos via emissão acústica;
Capítulo 3: Materiais e Método – são descritos os equipamentos e as
metodologias aplicadas nos ensaios;
Capítulo 4: Análise dos Resultados – são apresentados os resultados dos
ensaios e as discussões pertinentes a eles;
Capítulo 5: Conclusões – são apresentadas as conclusões dos resultados do
Capítulo 4.
CAPÍTULO 2
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 PROCESSO DE RETIFICAÇÃO
A retificação é um processo abrasivo de usinagem amplamente aplicado
na indústria metal mecânica, particularmente devido à sua capacidade de obter
resultados expressivos quanto à qualidade da peça usinada.
O processo de usinagem por abrasão é orientado à obtenção de
superfícies planas ou cilíndricas com o uso de uma ferramenta abrasiva de
revolução. Para tanto, a ferramenta gira e a peça ou a ferramenta se desloca
segundo uma trajetória determinada, podendo a peça girar ou não.
Denomina-se usinagem por abrasão o processo mecânico de usinagem
no qual são empregados abrasivos ligados ou soltos. Segundo a Norma PB-26
– Ferramentas Abrasivas da ABNT, denomina-se ferramenta abrasiva a
ferramenta constituída de grãos abrasivos ligados por aglutinante com formas e
dimensões definidas. A ferramenta abrasiva com a forma de superfície de
revolução adaptável a um eixo é denominada rebolo abrasivo. Não são
considerados rebolos abrasivos rodas ou discos de metal, madeira, tecido ou
papel, tendo uma ou várias camadas de abrasivos na superfície.
Os controles e cuidados com esse processo geralmente são rigorosos
porque na maioria das vezes essa é a última etapa do processo produtivo.
Então, o valor agregado ao produto já apresenta um nível considerável.
Muito provavelmente, os processos abrasivos são os mais antigos de
todos os processos de usinagem, datando, segundo Malkin (1989), desde os
tempos do homem pré-histórico.
A característica que distingue a retificação dos demais processos de
usinagem é que nesta, durante o corte, têm-se várias arestas atuando
simultaneamente, com geometrias de corte desconhecidas, pois a distribuição
das arestas na superfície da ferramenta é aleatória. Outra característica
peculiar do processo de retificação é apresentar muitas variáveis de influência
e ser muito sensível às pequenas variações destas.
Durante anos, os abrasivos naturais não-uniformes e relativamente
ineficientes eram os únicos disponíveis, e os processos de retificação foram
ultrapassados em importância por processos de usinagem básicos e mais
modernos. Isso ocorreu devido ao desenvolvimento de novas ferramentas
constituídas de materiais de corte superiores aos grãos abrasivos. No entanto,
durante o século XX, alguns desenvolvimentos mudaram significativamente
essa condição. Segundo De Garmo, Black e Kohser (1984), o desenvolvimento
de abrasivos artificiais e as recentes pesquisas permitiram um entendimento
fundamental do processo de retificação.
As partículas abrasivas que constituem os grãos cortantes podem ser
usadas livres, montadas em resinas ou revestidas, ou ainda aglomeradas em
rodas ou pedras, onde os abrasivos são mantidos unidos por um material
aglomerante conhecido como liga (MALKIN, 1989).
O processo de remoção de material é basicamente o mesmo em todos os
três casos com diferenças importantes devido ao espaçamento de grãos ativos
(grãos em contato com a peça) e à rigidez e grau de fixação dos grãos (De
GARMO et al., 1984). O Quadro 1Erro! Fonte de referência não encontrada.
descreve os processos abrasivos fundamentais.
Quadro 1 - Processos Fundamentais de Usinagem Abrasiva.
PROCESSO PARTÍCULA DE
LIGAÇÃO CARACTERÍSTICA
Retificação Liga
Utiliza rodas e rebolos; utilização mais comum: acabamento superficial, baixas rotações, tolerâncias apertadas
Usinagem Abrasiva Liga
Altas rotações para obter tolerâncias e formatos aproximados; utilização mais usual: desbaste rápido
Esmerilhamento de Rebarbas
Liga ou Resina Alta rotação; utilidade principal: eliminar rebarbas de forjados e soldagens
Brunimento Liga “Pedras” contendo abrasivos finos; primariamente, um processo de acabamento de furos
Lapidação Livre
Partículas finas encavadas em metal ou tecido; primariamente, um processo de acabamento superficial
Fonte: De Garmo et al. (1984).
Os resultados que podem ser obtidos por usinagem abrasiva variam
desde as superfícies mais finas e rugosidades baixíssimas, com taxa de
remoção de material muito pequena, até superfícies mais grosseiras, que
acompanham rugosidades mais elevadas com alta taxa de remoção de
material (De GARMO et al., 1984).
Por meio da Figura 1, a formação de cavaco por um abrasivo pode ser
estudada considerando-se três fases segundo Nussbaum (1987):
A) contato grão-peça: o abrasivo entra em contato com a peça a ser
usinada, e, ainda sem cortar partículas de metal, o grão desliza durante um
tempo muito pequeno, comprimindo o material e criando uma deformação
elasto-plástica;
B) deformação plástica definida: mesmo que o processo de corte ainda
não tenha começado, ocorre a continuação de deformação e geração de calor,
formando previamente o cavaco;
C) corte e saída: devido ao movimento do grão e à deformação da
partícula submetida à compressão, dão-se o corte e a expulsão do cavaco.
O ângulo de penetração (η), Figura 1 fase A, influi na variação de
quantidade de grãos abrasivos em contato com a peça e também no
comprimento de cada fase (VIEIRA JR., 1992). O aumento do ângulo faz com
que se aumente a densidade de grãos ativos devido ao maior ângulo de ataque
que os grãos abrasivos terão em relação ao material. No caso de o ângulo de
ataque ser pequeno, pode ocorrer a possibilidade de um grão ativo anular a
atuação de outros grãos subsequentes, ocorrendo uma redução sensível na
fase de corte e saída, já que a penetração do grão abrasivo é menor. Desse
modo, a maior dissipação de energia deve acontecer nas duas fases descritas,
isto é, em forma de deformação e atrito (VIEIRA JR., 1992).
Figura 1 – Formação de cavaco por um abrasivo.
Fonte: Nussbaum (1987).
Evidentemente, existirão formas de cavaco com alguma variação em
função dos tipos de movimentos envolvidos na operação, além dos outros
aspectos considerados, como tipo de grão, velocidade etc. (NUSSBAUM,
1987).
Segundo Vieira Jr. (1992), os grãos abrasivos com raios de ponta grandes
em relação à espessura de corte provocam uma série de efeitos, entre eles
maior deformação de material e redução da penetração do grão abrasivo,
sendo o grau de afiação baixo. As fases de deformação sem remoção de
cavaco propriamente dita são predominantes. Mas quando o grau de afiação é
alto, isto é, os raios de ponta são pequenos em relação à espessura de corte,
há maior penetração de grão abrasivo no material, já que a pressão de contato
é significativamente mais alta; portanto, a etapa de remoção de cavaco é
predominante.
Os processos abrasivos têm duas características que os distinguem de
outros processos de usinagem (De GARMO et al., 1984):
1) devido ao fato de que a aresta de corte é bem pequena e uma
quantidade grande dessas arestas pode realizar o corte simultaneamente,
cortes muito finos são possíveis e rugosidades baixas com um controle
dimensional mais preciso podem ser obtidas;
2) além disso, as partículas abrasivas do rebolo são extremamente duras.
Dessa forma, materiais muito duros, como aço endurecido, vidro, carbonetos e
cerâmicos, podem ser usinados com poucas restrições.
Os processos abrasivos de usinagem são, hoje em dia, não apenas muito
importantes nos processos de manufatura, senão essenciais. Muito dos nossos
produtos modernos, tais como automóveis e veículos espaciais e aeronáuticos
não seriam possíveis sem a utilização dos processos abrasivos (De GARMO et
al., 1984).
Malkin (1989) afirma que a manufatura é um dos maiores geradores da
saúde dos países industrializados junto à mineração, agricultura e turismo
estrangeiro. Levando-se em conta a crescente tendência de revalorização do
papel da manufatura no atingimento dos objetivos estratégicos da organização
(CORRÊA; GIANESI, 1994), pode-se salientar ainda mais a importância dos
processos abrasivos de usinagem, em geral da retificação, por se tratar de um
processo geralmente de acabamento, sendo, muito frequentemente, a última
etapa do processo, posterior até mesmo aos tratamentos térmicos da peça.
2.2 MATERIAIS ABRASIVOS
Um material abrasivo é aquele que pode cortar, raspar ou desgastar
outros materiais ou substâncias. Durante séculos, os materiais abrasivos eram
apenas aqueles encontrados na natureza, porém o recente desenvolvimento de
abrasivos permitiu que os processos abrasivos conferissem uma melhor
exatidão aos processos de manufatura (De GARMO et al., 1984).
Hoje, praticamente, os únicos materiais abrasivos naturais de importância
comercial são: areias de quartzo, granadas e diamantes (De GARMO et al.,
1984). Os abrasivos usados atualmente são em larga maioria os artificiais,
como o Óxido de Alumínio, o Carboneto de Silício, o CBN e os Diamantes
Artificiais (MALKIN, 1989).
As propriedades mais importantes de um grão abrasivo são, segundo
Shaw (1996): dureza, friabilidade (facilidade de quebrar em pedaços sob a
ação de determinada força ou impacto), resistência ao desgaste e estabilidade
química. Alguns tópicos sobre essas propriedades serão comentados a seguir.
A dureza é definida como a habilidade de resistir à penetração, sendo
uma propriedade importante para um abrasivo. De fato, o primeiro requisito de
um material abrasivo é ser mais duro do que o material a ser desgastado
(MALKIN, 1989). O Quadro 2 mostra alguns abrasivos mais comuns e sua
dureza aproximada na escala knoop em kg/mm2.
A resistência ao desgaste pode ser entendida como ação de desgaste
dos grãos abrasivos e a friabilidade se refere à fratura dos grãos cortantes e
tem comportamento oposto à tenacidade, ou seja, um material muito friável tem
facilidade para sofrer ruptura. Na retificação, frequentemente é importante que
grãos cortantes sofram fraturas para expor novas e afiadas arestas de corte
(De GARMO et al., 1984).
Quadro 2 – Dureza Knoop para os materiais abrasivos mais comuns.
MATERIAL ABRASIVO
ANO PROVÁVEL DE
DESCOBERTA
DUREZA KNOOP (kg/mm2)
COMENTÁRIOS
Areia de Quartzo
Desconhecido 320 Usado em jateamento de areia
Óxido de Alumínio
1893 2100 Mais suave e robusto que carboneto de silício; usado em aço ferro e bronze
Carboneto de Silício
1891 2400 Usado em bronze, alumínio e aços inoxidáveis
Nitreto Cúbico de
Boro (CBN) 1962 4700
Para retificação de materiais duros e aços endurecidos
Diamante 1955 7000 Usado para retificar
Artificial carboneto de tungstênio e alguns aços para matrizes
Fonte: De Garmo et al. (1984).
Os diamantes são os mais duros de todos os materiais, cerca de 6000
kgf/mm2 (SHAW, 1996). Apesar disso, sua utilização em larga escala sofre
restrições, pois tanto os diamantes naturais como os sintéticos sofrem com a
perda de estabilidade térmica passando, a partir de determinadas
temperaturas, a ter grande afinidade química com diversos tipos de metais,
ocorrendo oxidação ou difusão (MALKIN, 1989).
Os cristais de Carboneto de Silício são muito duros, friáveis e por
consequência quebradiços, o que limita muito seu uso (De GARMO et al.,
1984). Além disso, apresentam restrições na usinagem de ligas ferrosas devido
à sua baixa estabilidade química.
O Óxido de Alumínio (Al2O3) é um dos abrasivos mais utilizados. A massa
de óxido de alumínio que é formada é compactada e as partículas são
graduadas em tamanhos. Os nomes comerciais mais comuns para esse tipo de
material abrasivo são: Alundum e Aloxite (De GARMO et al., 1984).
Outro abrasivo artificial é o Nitreto Cúbico de Boro (CBN), que é mais duro
do que os carbonetos se silício ou do que os óxidos de alumínio e mais
vantajosamente aplicado para retificação de aços fundidos e materiais
endurecidos (De GARMO et al., 1984). É o segundo material de maior dureza,
com cerca de 4500 kgf/mm2 (SHAW, 1996). Apesar de possuir dureza inferior
ao Diamante Artificial, o CBN possui uma vantagem apreciável, pois, ao
contrário do Diamante, possui estabilidade térmica a altas temperaturas.
Devido às altas durezas do CBN e do Diamante Artificial em relação aos
demais materiais, alguns autores, como Malkin (1989), classificam esses dois
abrasivos como “superabrasivos” em contraposição aos demais, tidos como
“abrasivos convencionais”.
2.3 REBOLOS
Rebolo é a denominação da ferramenta de corte utilizada no processo de
retificação. Seus componentes básicos são: os grãos abrasivos, o material
aglomerante e o material de recobrimento, caso este exista. Os componentes
podem variar em relação ao material utilizado, bem como às dimensões, ou
quantidades dos mesmos, sendo que as combinações dessas variações é que
vão definir as propriedades do rebolo, que por sua vez indicarão seu campo de
aplicação.
A identificação dos rebolos é feita utilizando-se um código alfa-numérico,
que é normalizado (ANSI B74.13-1977 e ISO 525-1975E). As características
que definem um rebolo são: o material do grão abrasivo, o tamanho do grão
abrasivo, a dureza do rebolo, a estrutura do rebolo e o material aglomerante.
Nos códigos utilizados comercialmente, além de serem representadas essas
características, os fabricantes podem utilizar números ou letras de forma
opcional, como prefixo ou sufixo do código para indicar alguma outra
característica especial. As características mencionadas são facilmente
encontradas na literatura (AULT, 1986; MALKIN, 1989; VRIES, 1991) e serão
descritas mais detalhadamente nos itens posteriores.
Os grãos abrasivos constituintes dos rebolos são classificados, segundo
seu tamanho, utilizando peneiras com aberturas padronizadas, sendo que
aberturas maiores que ¼ de polegada são medidas diretamente em polegadas
e menores são expressas por meio de índices (mesh) que indicam o número de
aberturas por polegada linear. Os grãos abrasivos de uma amostra não
apresentam o mesmo tamanho; portanto, a classificação é feita em
porcentagens retidas nas diversas peneiras, que possuem índices diferentes
(MALKIN, 1989).
Como regra geral, grãos maiores possuem maior friabilidade, pois estes
são fraturados para gerar os grãos menores.
Grãos maiores são usados para retificação onde se deseja uma taxa de
remoção de material elevada, sem grande preocupação com a qualidade
superficial da peça. Grãos abrasivos menores são recomendados nas
operações em que as tolerâncias e a qualidade superficial de peça são os itens
mais importantes (AULT, 1986).
A dureza do rebolo indica quão difícil é a remoção do grão abrasivo deste.
Essa característica é função de diversos fatores referentes à ancoragem do
grão abrasivo, tais como a quantidade de material aglomerante (porosidade), a
resistência mecânica do mesmo e sua resistência ao desgaste, já que o
desgaste deste vai gerar uma diminuição da área que suporta os esforços de
corte atuantes, favorecendo a sua remoção.
A porosidade relaciona-se com a dureza do rebolo na medida em que
uma porosidade menor indica que os grãos abrasivos estão mais envolvidos
pelo material aglomerante, ou seja, estão melhor ancorados, sendo mais difícil
a sua remoção em processo (MALKIN, 1989). Observa-se nos rebolos uma
tendência de desgaste nos seus cantos. Isso se dá porque os grãos abrasivos
situados nessa região são envolvidos por uma menor quantidade de
aglomerante.
Como regras gerais, utilizam-se rebolos mais duros na usinagem de
peças com menor dureza, e vice-versa, pois os materiais endurecidos não
podem sofrer danos térmicos, o que é mais provável quando da utilização dos
rebolos duros (AULT, 1986). Esse fenômeno está relacionado com o
mecanismo de desgaste dos rebolos que será detalhado à frente.
A estrutura do rebolo indica a concentração volumétrica de grãos, onde
uma concentração alta mostra que o rebolo terá uma estrutura fechada, pois
haverá uma menor quantidade de poros, e vice-versa. A dimensão média dos
poros é influenciada pelo tamanho dos grãos abrasivos. Rebolos com grãos
menores e uma mesma concentração volumétrica apresentam menores poros.
Muitos fabricantes, a fim de diminuir a porosidade dos rebolos, efetuam uma
mistura de tamanhos de grãos, inserindo grãos menores que preenchem os
espaços deixados entre os maiores (MALKIN, 1989).
Os limites de concentração volumétrica dos grãos são impostos, por um
lado, pela limitação do fator de empacotamento, que está relacionado com o
tamanho do grão e sua distribuição. Grãos com formas mais regulares
propiciam um melhor empacotamento. Por outro lado, o limite inferior de
concentração volumétrica é imposto, pelo menos em relação aos rebolos com
aglomerantes vitrificados, pela necessidade da manutenção de contatos entre
grãos abrasivos para minimizar as distorções durante o processo de vitrificação
na fabricação do rebolo (MALKIN, 1989).
2.4 MATERIAIS AGLOMERANTES
Os grãos abrasivos são mantidos juntos a vários tipos de aglomerantes.
Em geral, o ligante deve ser forte o suficiente para suportar forças de
retificação, temperaturas e forças centrífugas sem se desintegrarem enquanto
resistem aos ataques químicos do fluído de corte (MALKIN, 1989).
O material aglomerante (liga) é um fator muito importante para ser
considerado na seleção de um rebolo para retificação, pois determina a
potência do rebolo, estabelecendo a máxima velocidade na qual pode ser
operado em condições seguras. Determina também o comportamento elástico
ou deflexão dos grãos abrasivos no rebolo durante a retificação, pois o rebolo
pode ser duro, rígido ou flexível. Finalmente, o aglomerante determina a força
que é requerida para deslocar uma partícula abrasiva de um rebolo (De
GARMO et al., 1984).
Seis tipos de materiais aglomerantes estão em uso comum, sendo os dois
primeiros indubitavelmente os mais importantes e usados, razão pela qual
somente ambos serão comentados: ligas vitrificadas, ligas resinoides, ligas de
silicato, ligas de goma-laca, ligas de borracha e ligas de oxicloreto (MALKIN,
1989).
As ligas vitrificadas são as mais usadas. Os rebolos com ligas vitrificadas
são porosos, fortes, rígidos, não afetados por óleos, água ou ácidos. Permite-
se utilização de altas velocidades de trabalho (até 80 m/s), mas não têm muita
resistência a choques mecânicos.
Ligas resinoides (ou plásticas) são largamente utilizadas. Devido ao fato
de que materiais poliméricos como plásticos podem ser compostos para
apresentar uma larga faixa de propriedades, tais rebolos podem ser obtidos
para cobrir uma larga variedade de condições de trabalho, possuindo elevadas
resistência e resiliência. As ligas resinoides trabalham geralmente com
velocidades maiores que as ligas vitrificadas, sendo muito adequadas para
atender às necessidades do acabamento superficial.
2.5 REBOLOS CONVENCIONAIS
A
Figura 2 reproduz a tradução dos códigos adotados na nomenclatura dos
rebolos de acordo com as normas ANSI B74.13-1977 e ISO 525-1957E, sendo
facilmente encontradas em outras referências.
Figura 2 – Codificação de rebolos.
Fonte: adaptado de Malkin (1989).
2.6 MECANISMOS DE DESGASTE DOS REBOLOS
A topografia dos rebolos exerce influência no desempenho do processo
de retificação. Essa característica é influenciada por diversos fatores e altera-
se ao longo da vida do mesmo devido ao desgaste. Em um determinado
momento, o desgaste do rebolo exigirá uma dressagem, para que novos grãos
e novas arestas se apresentem para o corte.
O desempenho do rebolo em relação ao desgaste é medido por uma
relação denominada relação de retificação, ou relação G, que é definida como
volume de material removido por unidade de volume desgastado do rebolo.
(1)
Serão apresentados neste tópico os principais mecanismos de desgaste
dos rebolos, relacionando-os com os parâmetros de caracterização topográfica.
Malkin (1989) afirma que são três os principais mecanismos de desgaste do
rebolo, conforme mostra a
Figura 3.
Figura 3 – Mecanismos de desgaste do rebolo: A – desgaste por atrito, B
– fratura do grão abrasivo e C – fratura do aglomerante devido ao
desgaste.
Fonte: adaptado de Malkin (1989).
O desgaste do tipo A, conforme mostrado na
Figura 3, ocorre devido ao atrito entre o grão abrasivo e o material da
peça que está sendo usinada. Dentre os mecanismos de desgaste, esse é o
que apresenta menor contribuição volumétrica e está diretamente relacionado
com a dureza do grão abrasivo. Esse mecanismo de desgaste, apesar da
pequena contribuição volumétrica, é considerado o mais importante na
definição do fim da vida do rebolo, pois tem uma forte influência nos esforços
de corte, na temperatura do processo e na qualidade e integridade superficial
da peça usinada (MALKIN, 1989).
A fratura do grão abrasivo, tipo B, está relacionada com a friabilidade do
mesmo. Outro fator que pode gerar fraturas no grão abrasivo é a fragilidade
deste quando se retifica materiais com os quais ele apresente afinidade
química (MALKIN, 1989).
A fratura do material aglomerante, tipo C, ocorre devido ao desgaste
quando da utilização de rebolos moles. É o mecanismo de desgaste que
apresenta maior participação percentual no volume de material desgastado do
rebolo. Esse mecanismo está ligado à friabilidade do material aglomerante e à
forma de cavaco gerado no processo, pois cavacos longos atritam com o
material aglomerante desgastando-o até que se apresente resistência
mecânica menor que os esforços de corte e sofra uma ruptura.
Rebolos duros apresentam maior quantidade de material aglomerante
(em geral, possuem menor porosidade), reduzindo a probabilidade de fratura
do mesmo, sendo que o oposto ocorre com os rebolos moles, onde essa
capacidade de perda de grãos é denominada autoafiação (MALKIN, 1989).
Essa diminuição de volume também pode ocorrer devido ao ataque
químico dos fluidos de corte.
Dogan e Hawk (1995) concluíram em seu trabalho que a resistência ao
desgaste não é uma propriedade intrínseca do material, pois é fortemente
influenciada pelas condições de utilização do abrasivo. Os autores mencionam
que a reposta ao desgaste depende também da composição química dos
contornos de grão e das fases presentes neles.
2.7 VIDA DOS REBOLOS
Os mecanismos de desgaste mencionados no item 2.6 atuam durante o
processo de retificação determinando as condições superficiais da ferramenta.
Bianchi (1990) afirmou que são três os mecanismos de perda da afiação dos
rebolos: perda do macroefeito de dressagem, perda do microefeito de
dressagem e entupimento das porosidades. As definições de macro e
microefeito de dressagem serão feitas no item 2.8. Em dado momento, é
necessário efetuar a afiação, ou dressagem do rebolo, para recompor sua
capacidade de corte (agressividade do rebolo).
Ferraresi (1977) definiu a vida de uma ferramenta como sendo o tempo
entre duas afiações sucessivas necessárias, no qual ela trabalha efetivamente,
obedecendo a um determinado critério para o estabelecimento do seu término.
Na retificação, esse período de tempo é, geralmente, medido em volume de
cavaco removido (Zw) ou em volume específico de cavaco removido (Z’w), que
consiste no volume de cavaco removido por largura de atuação do rebolo (b),
sendo que o critério de fim de vida da ferramenta é definido por parâmetros do
processo ou de qualidade da peça usinada. Bianchi (1990) relacionou os
principais critérios utilizados no processo de retificação para definir o fim da
vida do rebolo, que podem ser definidos da seguinte forma:
. Aumento excessivo das forças de corte: com o desgaste dos grãos
abrasivos e entupimento dos poros do rebolo pelos cavacos, há uma elevação
de atrito entre o rebolo e a peça usinada, aumentando as forças necessárias
para remoção de material. Este aumento de forças pode ser extremamente
significativo a ponto de superar a potência disponível no motor da máquina.
. Integridade superficial da peça: o aumento do atrito mencionado no
parágrafo anterior gera também um aumento da temperatura na região do
contato rebolo-peça. Se essa temperatura tornar-se excessivamente alta, pode
ocorrer queima da peça com perdas de características mecânicas, trincas ou
elevação das tensões residuais.
. Erros de forma: o aumento de temperatura na região de corte gera
deformações térmicas heterogêneas na peça devido às variações na sua
composição e microestrutura. Tais deformações provocam variações na
profundidade de corte. A perda volumétrica heterogênea de material abrasivo é
outro fator gerador de erros de forma. O primeiro desses fenômenos é típico de
rebolos duros e o segundo, de rebolos moles.
. Vibrações: a vibração do sistema máquina-ferramenta/peça está
associada aos fenômenos de autoexcitação que ocorrem. O rebolo desgastado
ou empastado de forma não-uniforme, girando com uma rotação constante,
provoca variações na força de corte, tornando-se oscilante. Uma força
oscilante, atuando num sistema com massa e elasticidade como é o caso do
sistema rebolo-peça, gera vibrações que danificam a rugosidade da peça.
. Rugosidade da peça: o entupimento dos poros da estrutura do rebolo
provoca o riscamento da superfície da peça. Além disso, a vibração do sistema
gera uma rugosidade maior, como citado no parágrafo anterior. Como em
retificação trabalha-se com limites de rugosidade bem baixos, qualquer
aumento de rugosidade torna-se significativo.
2.8 DRESSAGEM DO REBOLO
Neste tópico, serão apresentados os conceitos fundamentais da operação
de dressagem na retificação centerless. Este trabalho tem como um dos
objetivos a decisão do momento de execução da dressagem.
A operação de dressagem tem três finalidades principais: a obtenção de
desvios de posição mínimos entre a face de trabalho e o eixo de rotação do
rebolo, o perfilamento da face de trabalho para uma operação de forma e a
remoção da camada superficial do rebolo com grãos abrasivos gastos e poros
entupidos por cavacos para melhorar a agressividade da superfície de trabalho
(OLIVEIRA, 1988).
Na dressagem, são utilizadas ferramentas que irão “usinar” o rebolo,
removendo material até que os objetivos mencionados sejam atingidos. Essa
“usinagem” é feita com um movimento radial do rebolo contra a ferramenta
dressadora, que define a espessura de material removido, juntamente com um
movimento axial do rebolo em relação à ferramenta, que visa à obtenção de
uma superfície homogênea.
Os dressadores são as ferramentas que promovem a dressagem do
rebolo. Existem dois grandes grupos de dressadores de acordo com seu
princípio de atuação cinemática:
1) os dressadores rotativos, cujos tipos mais comuns são o rolo dressador
e o disco dressador, que, em geral, são constituídos por material metálico
impregnado de grãos de diamante. Durante a dressagem, possuem movimento
próprio de rotação e entram em contato com a superfície do rebolo, que deve
ser reafiada. Por causa da diferença de velocidade entre as superfícies de
ambos, há choques que resultam na quebra ou arranchamento dos grãos
abrasivos alisados do rebolo.
2) Os dressadores estáticos, que possuem somente movimento de
avanço. Esses dressadores trabalham de modo análogo ao processo de
torneamento, no qual a peça a ser torneada é o rebolo. Os tipos mais comuns
de dressadores são formados de pequenos grãos de diamante aglomerados
por uma liga metálica ou de uma simples ponta de diamante. Algumas
máquinas são equipadas de modo que o rebolo possa ser afiado contínua ou
intermitentemente enquanto o processo de retificação continua.
De acordo com Bianchi (1990), a dressagem exerce um papel decisivo na
vida de rebolos, pois provoca profundos efeitos no mecanismo de remoção de
metal e na topografia do rebolo, que por sua vez afetam os esforços atuantes
no processo, integridade superficial e desgaste do mesmo. No entanto,
segundo o autor, a melhor forma de dressagem e o momento de fazê-la são
pouco pesquisados.
É de senso comum que os rebolos são geralmente dressados sem que se
alcance o fim da vida da ferramenta, a fim de se prevenirem danos na peça de
trabalho, como a queima da superfície da peça (BRINKSMEIER; WERNER,
1992).
A operação de dressagem gera no rebolo dois efeitos, que foram
denominados macro e microefeitos de dressagem (OLIVEIRA, 1988). O
macroefeito é a denominação dada à rosca gerada na superfície do rebolo,
pelo dressador, devido à composição de movimento de rotação e translação do
rebolo. O microefeito é causado pela fratura dos grãos abrasivos durante a
dressagem, que gera novas arestas de corte. A formação do macro e
microefeitos depende das condições de dressagem, friabilidade dos grãos
abrasivos e granulometria do rebolo.
A Figura 4 mostra os principais parâmetros da operação de dressagem
com dressador de ponta única. Nesta Figura, bdr é a largura real de atuação do
dressador, bd é a largura de atuação do dressador, wt é a ondulação teórica da
superfície do rebolo (macroefeito), Sd é o passo de dressagem (avanço por
volta), ad é a profundidade de dressagem e Asd é a área de dressagem.
Figura 4 – Parâmetros da operação de dressagem.
Fonte: Oliveira e Purquério (1989).
Nas dressagens mais grossas, com profundidade (ad) e passo de
dressagem (Sd) altos, ocorrem simultaneamente o macro e o microefeitos,
gerando uma superfície duplamente agressiva (com alta capacidade de
remoção de material). Nas dressagens mais finas, o macroefeito não atua e o
microefeito é atenuado, pois partículas pequenas são removidas ou fraturadas,
gerando uma superfície menos agressiva.
Nos rebolos com granulometria mais grossa, a dressagem produz sempre
um microefeito agressivo, mas o tamanho do grão abrasivo atenua o alto
macroefeito que seria gerado nas dressagens grosseiras. Nos rebolos com
granulometria fina, o microefeito será sempre pouco agressivo e a dressagem
provocará um forte macroefeito, conforme observa-se na Figura 5.
O macroefeito pode ser estimado pela equação:
(2)
As condições de dressagem podem ser caracterizadas por um parâmetro
denominado grau de recobrimento de dressagem, Ud (OLIVEIRA, 1988). Esse
parâmetro é a razão entre a largura de atuação do dressador e o passo de
dressagem, conforme equação (3).
(3)
Figura 5 – Macroefeito e microefeito na dressagem de rebolos.
Fonte: Oliveira e Purquério (1989).
A agressividade de um rebolo é definida como sendo sua capacidade de
remoção de material. Existem vários métodos de se medir a agressividade de
um rebolo. Oliveira (1988) utilizou o método da esfera retificada. Esse método
consiste basicamente na usinagem de uma esfera sob força constante, onde é
traçada a curva de penetração do rebolo na peça ao longo do tempo.
Comparando-se dois rebolos com dressagens diferentes, o que apresentar
maior penetração num mesmo intervalo de tempo é definido como o mais
agressivo.
A agressividade de um rebolo é influenciada por vários fatores. Bianchi et
al. (1996) concluíram que as condições de dressagem, a granulometria do
rebolo, a friabilidade do material aglomerante, o tipo de grão abrasivo e a
velocidade de corte são alguns desses fatores.
A agressividade exerce grande influência no processo de retificação.
Como a agressividade é gerada no processo de dressagem, conclui-se que
este é responsável por diversas características num processo de retificação.
Oliveira (1988) concluiu que, variando-se as condições de dressagem com o
fim de se aumentar a agressividade do rebolo, pode-se obter reduções da força
de corte e da pressão crítica de corte (menor valor de pressão para que ocorra
corte) com o aumento da vida do rebolo.
A desvantagem do aumento da agressividade do rebolo, via diminuição
do grau de recobrimento da dressagem, é o aumento da rugosidade da peça. É
possível ainda aumentar a flexibilidade de uma operação de retificação usando
a mesma ferramenta para efetuar as operações de desbaste e acabamento,
utilizando-se dressagens consecutivas que gerem superfícies no rebolo mais e
menos agressivas, respectivamente (OLIVEIRA et al., 1992).
2.9 CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE RETIFICAÇÃO
A melhor forma de classificação dos processos de retificação é baseada
em critérios de processo. A classificação que melhor se enquadra nessa
filosofia é a DIN 8589 que subdivide as operações, de acordo com a superfície
do rebolo em contato com a peça e com o movimento de avanço do rebolo, em:
tangencial de mergulho, tangencial de passagem, lateral (ou de face) de
mergulho e lateral de passagem. A forma geométrica das superfícies obtidas é
subdividida em cilíndrica externa, cilíndrica interna, plana e plana rotativa
(OLIVEIRA, 1988). De acordo com o tipo de fixação da peça, a retificação
cilíndrica externa pode ser classificada em retificação entre pontas ou sem
centros (centerless).
Neste trabalho, foi utilizada a retificação cilíndrica externa tangencial de
passagem sem centros, comumente conhecida como retificação centerless de
passagem. Os primeiros trabalhos científicos sobre retificação centerless de
passagem foram conduzidos por Fleck (1931), nos quais foram realizados
estudos teóricos para avaliar a força de atrito entre rebolo e peça. Desde então,
aproximadamente a cada década uma série de estudiosos, tais como Kreher,
Dall, Slonimski, Reeka, Becker, Schreitmüller, Meis e outros, têm divulgado
estudos teóricos e práticos conduzidos com o objetivo de definir melhor os
parâmetros desse processo tão complexo. Mais recentemente, Friedrich (2005)
apresentou um estudo mostrando efeito geométrico da circularidade em
domínio do tempo e ainda desenvolveu um modelo computacional para cálculo
das forças presentes durante o processo de retificação centerless de mergulho.
O processo de retificação centerless é o único método em que a peça é
retificada sem o emprego de qualquer tipo de fixação, ou seja, a peça
permanece livre durante o tempo em que está sendo retificada. A peça fica
apenas apoiada sobre uma régua localizada entre os rebolos de corte e
arraste, conforme podemos observar na
Figura 6.
Figura 6 – Esquema de retificação centerless.
Fonte: adaptado de Lindenau (2006).
2.10 CLASSIFICAÇÃO DO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO CENTERLESS
2.10.1 RADIAL OU DE MERGULHO
Este processo é aplicado quando se tem a necessidade de retificar peças
com diâmetros variados e formatos não-convencionais, onde geralmente o
rebolo tem um perfil apropriado, adaptado ao formato que se deseja na peça.
Neste processo de retificação, a peça não tem movimento axial. Sendo assim,
o rebolo de arraste é ajustado paralelo ao rebolo de corte. Deve existir um
pequeno ângulo de inclinação no rebolo de arraste com a finalidade de manter
a peça contra um ponto de apoio. A régua de apoio tem o perfil de acordo com
o perfil da peça. A remoção de material se dá com o avanço do rebolo de corte
sobre a peça e a mesma contra o rebolo de arraste (SLONIMSKI, 1956).
2.10.2 LONGITUDINAL OU DE PASSAGEM
Este processo é aplicado para retificação de formas apenas cilíndricas,
peças sem qualquer tipo de projeção ou escalonamentos e variação de
diâmetros. A peça será conduzida entre os dois rebolos, percorrendo todo o
comprimento de retificação conforme a
Figura 7. O rebolo de arraste neste caso tem um ângulo de inclinação que
conduz a peça durante a retificação, ficando a cargo do rebolo de corte a
retificação. Enquanto a peça estiver passando por entre os rebolos, ela
permanece livre, sem qualquer tipo de fixação. A régua de apoio é o único
dispositivo responsável pela sustentação (KLOCKE; KÖNIG, 2005).
Figura 7 – Processo de retificação centerless de passagem.
Fonte: adaptado de Gonçalves e Miranda (2007).
Durante o processo de retificação centerless de passagem são dois os
movimentos que determinam o avanço da peça para retirada de material.
Primeiro, o movimento de rotação, que é gerado pela rotação do rebolo de
arraste. Segundo, o movimento de translação, que gera o movimento axial ou
longitudinal, obtido com a inclinação do rebolo de arraste.
2.11 PARÂMETROS DE CARACTERIZAÇÃO DO PROCESSO
Alguns parâmetros foram criados para facilitar a compreensão de alguns
fenômenos do processo de retificação e também para possibilitar a
comparação de grandezas entre processos com geometrias distintas. A seguir,
serão apresentados tais parâmetros.
O Diâmetro Equivalente, De, representa o grau com que a superfície do
rebolo (no caso da retificação tangencial) e a peça se adaptam. Pode-se
afirmar também que o diâmetro equivalente é aquele que o rebolo deve ter
para proporcionar a mesma geometria de corte da operação plana tangencial
(LINDSAY, 1986).
O diâmetro equivalente é dado por:
(4),
onde Ds é o diâmetro do rebolo e Dw, o da peça. O sinal (-) é utilizado para
retificação cilíndrica interna, onde o contato é maior, e o sinal (+), para
retificação cilíndrica externa. O diâmetro equivalente é, portanto, um parâmetro
que inter-relaciona a operação tangencial plana com as cilíndricas tangenciais
interna e externa para qualquer diâmetro de rebolo e peça.
Outro parâmetro importante é a espessura de cavaco equivalente, heq,
que pode ser definida como relação entre a taxa de remoção e a velocidade de
corte (ou, aproximadamente, a velocidade periférica do rebolo). Esse
parâmetro pode ser utilizado para transferir resultados entre processos de
retificação, pois é universal, podendo ser usado em qualquer tipo de retificação
(BRINKSMEIER et al., 1993). A expressão matemática para heq é:
(5),
onde Vw e Vs correspondem à velocidade periférica do rebolo e da peça,
respectivamente, e “a” é, na retificação cilíndrica de mergulho, o avanço (que
pela norma brasileira é representada por “f”).
O terceiro parâmetro muito utilizado pelos pesquisadores da área de
retificação é o comprimento de contato, lc, que é definido como sendo o
comprimento em que um grão abrasivo permanece em contato com a peça
durante uma rotação do rebolo. Muitos pesquisadores (LINDSAY, 1996;
MALKIN, 1989; VRIES, 1991) têm utilizado como uma aproximação desse
parâmetro o arco geométrico percorrido pelo grão abrasivo. Tal aproximação é
dada por:
(6)
Na retificação plana, De é igual a Ds. Muito se tem pesquisado a respeito
do comprimento de contato, pois este sofre influência de vários fatores, tais
como deformações do sistema peça-ferramenta, devido aos esforços
mecânicos ou aumento de temperatura, utilização de fluido de corte, escolha
do rebolo etc. O modelo aceito como consenso entre os pesquisadores
considera o comprimento de contato como uma soma do comprimento
geométrico e de uma parcela referente aos demais fatores (GU; WAGER,
1990; WAGER; GU, 1991; ZHOU; VAN LUTTERWELT, 1992).
2.12 FORÇAS DE CORTE
Os modelos desenvolvidos para analisar as forças de corte na retificação
levaram em consideração basicamente os fatores: a relação de velocidades da
peça e do rebolo, o diâmetro equivalente, a especificação do rebolo, o fluido de
corte utilizado, as condições topográficas do rebolo e a rugosidade superficial
da peça, entre outros. No entanto, tais modelos são de difícil aplicação prática,
pois exigem a determinação experimental de uma série de coeficientes
(TÖNSHOFF et al., 1992).
Malkin (1989) fez um estudo da potência específica de corte, P’, ou seja,
a potência consumida por unidade de largura do rebolo, definindo-a como
sendo composta de três parcelas, onde:
P’ch = potência devido à formação de cavaco;
P’pl = potência de riscamento;
P’sl = potência de atrito e escorregamento entre peça e rebolo.
Cada uma das parcelas foi definida por meio das seguintes equações:
P’ch = 13,8 Vw.a (7)
P’pl = 1,0.10-3 Vs (8)
P’sl = (C1 + C2 . Vw / Vs . de) de1/2. A1/2. As (9),
onde C1 e C2 são constantes do par rebolo-peça e As é a área real de contato
dos grãos abrasivos (considerando a rugosidade do par rebolo-peça). A
expressão 7 é baseada na constante da energia específica de formação do
cavaco (13,8 j/mm3) que, segundo Malkin (1989), é válida para aços de várias
composições, bem como para os tratados termicamente. Dividindo a equação 7
pela velocidade periférica do rebolo, obtém-se a força tangencial de retificação
devido à formação do cavaco por unidade de largura do rebolo. Considerando-
se a relação entre força tangencial e normal, chega-se a:
(10),
onde ρ é a relação entre as forças tangencial e normal de retificação (ρ = Ft/Fn).
A expressão obtida tem um produto constante pela espessura heq.
Analogamente, pode-se dividir as equações 2 e 3 pela velocidade da peça e
obterem-se as forças de riscamento e de atrito por unidade de largura.
2.13 CARACTERÍSTICAS DE UMA RETIFICADORA
Como se trata de um processo de elevada precisão e extrema exigência
de qualidade, é necessário que se tenha uma estrutura muito rígida, a fim de
eliminar qualquer interferência desta durante o processo. Basicamente, uma
retificadora compõe-se de: rebolos de corte e rebolo de arraste, régua de
apoio, sistema de dressagem, sistema de refrigeração e sistemas de avanços.
A forma construtiva do equipamento é relativamente simples. No entanto,
existe uma série de grandezas, geométricas e cinemáticas, que se relacionam,
o que torna complexa uma ajustagem desse tipo de equipamento (KLOCKE;
KÖNIG, 2005).
Segundo King e Hahn (1986), em operações de planejamento da
retificação, é necessário definir as entradas e saídas do processo e
desenvolver relações entre elas. Para que isso seja feito, é importante
distinguir as variáveis de entrada da retificadora e entradas do processo de
retificação que ocorrem na interação rebolo-peça. Os parâmetros de entrada
típicos das máquinas retificadores são: velocidade de avanço, velocidade da
peça e tempo de centelhamento. As variáveis do sistema são apresentadas no
diagrama da
Figura 8.
Figura 8 – Variáveis de entrada e saída para máquinas e processos de
retificação.
Fonte: adaptado de King e Hahn (1986).
2.14 EMISSÃO ACÚSTICA (EA)
Emissão Acústica, doravante representada pelos sinais iniciais EA, pode
ser definida como “a energia elástica transiente espontaneamente gerada em
materiais em estado de deformação ou fratura – ou ambos” (KANNATEY-
ASIBU; DORNFELD, p.330, 1981).
Beattie (p.95, 1993) definiu a EA como: “ondas geradas por um material
quando sujeito a estímulos externos”. Outra definição de EA é dada por William
(apud BLUM; INASAKI, p. 203, 1990), em que “EA é referida à geração de uma
onda vibracional na grade de materiais cristalinos devido ao rearranjamento da
estrutura do material”.
Heiple e Carpenter (apud SUCIC; GRABEC, 1994) chamaram EA as
mudanças na distribuição de tensão ao redor da aspereza do contato na
superfície de tensão que geram ondas transientes de tensão. A técnica de EA é
um método de ensaio não-destrutivo (END), fundamentado na detecção de
ondas transientes de tensão elástica, geradas pelo resultado da liberação
rápida de energia dentro de um material submetido a um estímulo externo
devido ao rearranjo de sua estrutura.
Essas ondas de tensão produzem deslocamentos na superfície do
material que pode ser detectada por um sensor piezoelétrico que transforma
esses deslocamentos em sinais elétricos conforme Figura 9 (POLLOCK, 1989;
MATTHEWS, 1984).
A fonte de EA emite a onda mecânica em todas as direções,
caracterizando o sinal de EA como uma frente de onda de forma esférica
(Figura 9). A propagação da onda de EA pode ser explicada utilizando uma
analogia com a propagação das ondas ultrassônicas (KRAUTKÄMER;
KRAUTKÄMER, 1977).
Figura 9 – Características da emissão acústica.
Fonte: adaptado de Soares (2001).
A EA, por captar sinais de alta frequência, em torno de 50 a 1000 kHz,
está acima da faixa de muitos ruídos advindos de fontes externas ao processo
de retificação, sendo um método bastante sensível e, portanto, adequado ao
monitoramento do processo de retificação devido às baixas taxas de remoção
de cavaco (KLUFT, 1994; SOARES, 2002; BIFANO; YI, 1992). Webster,
Marinescu e Bennet (1994) afirmam que a detecção do sinal de EA é
significativamente mais sensível às variações das condições de retificação do
que as medidas de força e potência e oferece um método mais promissor para
o monitoramento online do processo.
As EAs de maior escala são eventos sísmicos, enquanto que as menores
são movimentos de poucas discordâncias em materiais deformáveis. Dentro
dessa faixa, encontram-se muitos outros eventos, como: EAs devido à corrosão
de fundo de tanques, descargas elétricas, trincas crescendo em vidros,
deformação plásticas de metais e peças soltas. As fontes de EA incluem os
mecanismos de deformação e fratura, tais como: formação de trincas,
movimento de discordâncias, maclação, deslocamento de contornos de grão,
fratura e coesão de inclusões (MILLER, 1987).
A diferenciação de fontes é baseada no fato de que a resposta sonora de
um material depende da sua microestrutura e modo de deformação, entre
outros fatores, e, portanto, pode-se esperar uma grande variedade de resposta
de EA (ASM, 1989). Materiais frágeis e heterogeneidades são fatores que
levam a uma alta emissividade, picos bem definidos e altas amplitudes.
Mecanismos de deformação dúcteis, como coalescimento de microcavidades
em metais dúcteis, estão associados à baixa emissividade, picos mais
dispersos e baixa amplitude (JACQUES, 2009). Classificam-se em dois os
sinais de EA (BLUM; INASAKI, 1990):
. Sinal contínuo: aquele associado à deformação plástica dúctil devido à
movimentação de discordâncias e de contornos de grão do material. Sinal de
pico: associado ao crescimento de trincas em matérias que ocorrem na quebra
do cavaco e no lascamento e quebra da ferramenta. As EAs geradas durante a
retificação podem ser categorizadas em três principais níveis de atividades
dependendo do grau de contato entre o rebolo e a peça (DORNFELD; CAI,
1984):
. Baixo, refletindo interação de superfícies entre rebolo-fluido-peça.
Intermediário, para contanto inicial intermitente (ou final, no caso de
centelhamento) entre grãos abrasivos e a superfície de trabalho. Alto, durante a
remoção para o qual a energia é proporcional à espessura equivalente de
retificação.
As principais fontes de EA no processo de retificação são decorrentes da
formação de trincas, atrito entre o grão abrasivo e a ferramenta, impacto
elástico, riscamento sem remoção de cavaco, remoção e quebra do cavaco,
fratura do grão e do ligante e indução térmica de mudanças estruturais do
material (KARPUSCHEWISKI, 2001; HUNDT; LEUENBERGER;
REHSTEINER, 1994; DORNFELD;LIU, 1993), todos diretamente ligados ao
processo de formação de cavaco e desgaste do rebolo (BIFFI, 2003) como
mostrado na Figura 10.
Figura 10 – Principais fontes de ondas elásticas na retificação.
Fonte: Hundt et al. (1994) e Karpuschewiski (2001).
O sinal de EA necessita de um meio físico de propagação, sendo que na
retificação os mais utilizados são os componentes metálicos da máquina que
estão em contato com a região de corte, como o contraponta, a régua de apoio
da peça (no caso de retificação centerless), o cubo e o eixo do rebolo (o sensor
é fixado nesses locais). O sensor pode ainda ser fixado no tubo do fluido de
corte, utilizando este como meio físico de propagação de sinal (CHANG et al.,
1992). Conforme mencionado por Beattie (1983), o sinal de EA sofre uma
atenuação a cada interface pela qual se ultrapassa. Portanto, procura-se
sempre lubrificar essas interfaces, aumentando-se a área real de contato e
minimizando, com isso, essas atenuações.
Os primeiros resultados referentes à utilização da EA para o
monitoramento da retificação era, basicamente, para detectar a ocorrência do
contato entre a peça e o rebolo (INASAKI; OKAMURA, 1985; DORNFELD; CAI,
1984). A relação de sinais de EA e a dressagem verificavam a uniformidade da
passada, indicando, assim, o final da dressagem. Posteriormente, a utilização
de EA teve um grande salto e surgiram diversos estudos que detectaram a
quebra, a queima e as trincas do rebolo.
Na retificação centerless, Kim et al. (2001) desenvolveram um sistema de
monitoramento de sinais acústicos para monitorar os processos de retificação e
dressagem. Foi verificado que os sinais de EA caracterizavam os estágios de
desbaste, acabamento e centelhamento durante o ciclo de retificação
centerless de mergulho de eixos multidiametrais. A Figura 11 (a) apresenta o
sinal ideal de trabalho e a Figura 11 (b) exibe o setup inadequado de trabalho,
resultados do monitoramento dos sinais acústicos.
Figura 11 – (a) Sinal ideal de retificação e (b) Representação acústica do
setup inadequado de trabalho.
Fonte: Kim et al. (2001).
Pela definição da fonte de EA, o processo que é capaz de produzir
mudanças na estrutura interna do material, como o trabalho de deformação
plástica no processo de usinagem, pode ser considerado como uma fonte
acústica. Na liberação de energia de deformação aplicada, são produzidas
ondas elásticas no material, as quais causam deslocamentos na superfície que
podem ser captadas como sinais de EA (CISNEROS, 2006). Kannetey-Asibu e
Dornfeld (1981) desenvolveram uma relação teórica entre a EA e o processo
de corte do metal, correlacionando a energia contida no sinal de EA com a
deformação plástica decorrente do processo de desbaste e permitindo
comparar em forma teórica e experimental o valor eficaz do sinal com os
parâmetros de usinagem.
A onda inicial é basicamente senoidal. Na propagação, defeitos na
estrutura, reflexões e refrações (mudança de meio) produzem mudanças de
fase, atenuação da amplitude e repetição de ondas, originando uma onda
aleatória senoidal em natureza difícil de identificar. Portanto, a deformação
plástica é uma fonte de energia de EA conforme Figura 12 (CISNEROS, 2006).
Figura 12 – Fenômenos de reflexão e refração nas fronteiras do material
sob a fonte de emissão acústica (L, onda longitudinal; T, onda
transversal; e S, onda superficial).
Fonte: Soares (2001).
Diferentes tipos de avaliação de sinal podem ser aplicados à saída do
sensor de EA. As análises mais importantes são: valor da raiz quadrática média
(RMS), sinais de EA brutos e frequência (KARPUSCHEWISKI, 2001). O
parâmetro predominantemente utilizado para analisar a informação da EA é o
valor eficaz do sinal, valor médio quadrático (RMS) do sinal de emissão
acústica filtrado (EARMS) sobre uma banda de frequência. O valor eficaz de um
sinal de corrente alternada é o valor de um sinal de corrente contínua que
passa pelo mesmo circuito, no mesmo período de tempo, produz a mesma
dissipação de energia que o sinal de corrente alternada e possui a seguinte
conotação matemática:
(11),
onde:
V(t) é a função do sinal, e
∆T é o período de tempo amostrado
Ferramentas de processamento de sinal, integradas às redes neurais
artificiais, e os sinais brutos de EA também estão sendo explorados e mostram
resultados eficientes no monitoramento da retificação (WANG et al., 2001).
Dados detalhados a respeito do uso de EA no processo de retificação serão
vistos em itens posteriores.
2.15 GERAÇÃO DE SINAIS ACÚSTICOS NA RETIFICAÇÃO
Segundo König e Meyen (1990), os fenômenos relacionados com a
formação de cavaco na retificação cilíndrica podem ser subdivididos em duas
fases. Inicialmente, ocorre somente o escorregamento do grão abrasivo sobre
o material. Essa fase é chamada de elástica. Na segunda fase, começam a
ocorrer deformações plásticas e a formação de cavaco. O processo de atrito e
deformação plástica que ocorre na peça durante retificação é acompanhado
por fenômenos relacionados ao rebolo, como desgaste do grão abrasivo e
fratura do ligante. Adicionalmente a esses fenômenos, na retificação centerless
tem-se ainda que contar com as fontes de atrito provindas do contato
peça/régua suporte e peça/rebolo de arraste. A intensidade desses fenômenos
é diretamente proporcional ao sinal de EA mensurável (VIEIRA JR., 2002).
De acordo com König e Klocke (1996), ocorre deformação elástica por
parte do material devido à alta força normal (Fn) seguida pelo seu escoamento
lateral. Após isso, inicia-se a formação do cavaco pelo aumento da força
tangencial (Ft) que acaba por cisalhar o material (
Figura 13). As condições de atrito da interface, as propriedades de
escoamento do material e a velocidade de corte têm influência significativa na
formação do cavaco (KOPAC; KRAJNIK, 2006).
Figura 13 – Formação de cavaco na retificação.
Fonte: König e Klocke (1996).
Características do rebolo, como o tipo e a dureza do ligante ou a sua
porosidade, podem provocar curvas distintas de desgaste e,
consequentemente, possibilitar o monitoramento de sinais acústicos devido às
diferentes propagações de ondas elásticas.
Já Jackson e Mills (2004) ainda classificam um quarto mecanismo de
desgaste chamado de fratura da interface grão-ligante. A
Figura 14 apresenta (I) – um grão abrasivo de superfície desgastada (A),
(II) – exibe uma fratura do ligante com grão abrasivo (A), interface grão-ligante
(B) e ligante (C), (III) – mostra um grão fraturado (A) e (IV) – apresenta uma
fratura da interface grão-ligante.
Figura 14 – Mecanismos de desgaste.
Fonte: Jackson e Mills (2004).
A variação da intensidade de energia do sinal acústico é captada pelo
sensor e posteriormente correlacionada com a deformação plástica do material,
atrito, impacto elástico ou remoção de grãos do rebolo. A Figura 15 mostra as
principais fontes dos sinais acústicos no processo de retificação.
Figura 15 – Fontes de EA em retificação.
Fonte: Karpuschewiski (2001).
2.16 SENSOR DE EA
Um sensor de EA recebe a estimulação de ondas acústicas (ondas de
tensão) e fornece como saída as tensões elétricas (voltagem elétrica induzida).
Há diversos métodos para converter as ondas acústicas em uma voltagem
elétrica. O método mais comum é a piezeletricidade através dos cristais
piezelétricos ou das cerâmicas ferromagnéticas. A escala típica das
frequências para sensores de EA é de 30 kHz até dois MHz
(NONDESTRUCTIVE TESTING HANDBOOK, 1987). A
Figura 16 mostra um sensor com o efeito piezelétrico (VIEIRA JR., 2002).
Figura 16 – Sensor piezelétrico de emissão acústica.
Fonte: Nondestructive Testing Handbook (1987).
A
Figura 17 mostra as regiões mais utilizadas para posicionar os sensores
de força, EA e potência em retificadoras planas e cilíndricas (INASAKI;
KARPUSCHWSKI, 2001). A EA, por captar sinais de alta frequência, livre dos
ruídos advindos de fontes que não interessam especificamente ao processo, é
um método bastante sensível para o monitoramento dos processos de
retificação, em especial a retificação centerless (SOARES, 2002; BIFANO; YI,
1992).
Figura 17 – Posições possíveis dos sensores de força, EA e potência em
retificadoras.
Fonte: adaptado de Inasaki e Karpuschwski (2001 por SCHÜLI, 2007).
2.17 AQUISIÇÃO DO SINAL DE EA
Existem várias formas de aquisição do sinal de EA (CISNEROS, 2006). O
sistema comumente aplicado é composto de um sensor que em contato com a
superfície capta o sinal, transmite para um condicionador do sinal, depois é
transmitido a um transdutor de sinal A/D (Analógico / Digital) e finalmente é
transferido ao computador para processamento, conforme
Figura 18.
Figura 18 – Esquema para aquisição do sinal de EA.
Fonte: adaptado de Cisneros (2006).
O condicionamento do sinal consiste numa etapa inicial de pré-
amplificação desse sinal. Os sensores de emissão acústica transformam a
excitação mecânica em excitação elétrica e, por sua vez, esse sinal produzido
é um sinal fraco que pode ser alterado por ruídos no percurso do sensor ao
condicionado. Uma forma de se resolver esse problema é amplificar esse sinal
logo após o sensor (SHIWA, 1992).
Ainda no condicionamento do sinal, logo após a pré-amplificação, são
aplicadas as etapas de filtragem. São usados os filtros de banda passante: dois
filtros montados em cascata. O primeiro filtro é passa alto, seguido do outro
passa baixo (VAN VALKENBURG, 1982). O filtro passa alto tem o objetivo de
eliminar os componentes do sinal associados às vibrações mecânicas e
alimentação elétrica da rede que não são de interesse na análise. O filtro passa
baixo é aplicado com a finalidade de eliminar os ruídos correspondentes a
sinais eletromagnéticos e impedir o fenômeno do aliasing na análise em
frequência do sinal. Dessa maneira, o filtro passa banda no condicionamento
do sinal tem a função de delimitar a banda de interesse. Finalmente, após
filtrado, o sinal sofre nova etapa de amplificação.
O transdutor de sinal consiste em um módulo que transforma o sinal
analógico obtido pelo sensor em um sinal digital. Esse módulo é composto de
um conversor A/D e memória para armazenamento dos dados durante a
conversão.
2.18 ESPECTRO ACÚSTICO
O comportamento da frequência do sensor de EA tem um efeito decisivo
no espectro de frequência utilizável para diagnóstico. O projetista de sistemas
de monitoramento para retificação deve considerar as propriedades específicas
do sensor dentro das faixas de frequência selecionadas para análise. O sensor
representa, portanto, o primeiro filtro do sinal detectado na cadeia de medição,
com amortecimento ou amplificação dependente da faixa em que se encontra
sua frequência natural (VIEIRA JR., 2002).
O sinal acústico puro é uma onda que possui componentes de banda
estreita de frequência amplamente distribuídos e que apresentam várias
intensidades em diferentes bandas (DONG; WEBSTER, 1996). A
Figura 19 mostra o espectro original adquirido por um sensor de EA.
Figura 19 – Sinal puro de EA.
Fonte: autoria própria.
A frequência real do processo não é a frequência original da EA. A
frequência de saída original tem uma grande influência das características do
sensor. A identificação da frequência real do processo é baseada em um
processo de filtragem do sinal e posterior decomposição das diferentes
intensidades de bandas. A Figura 20 ilustra o processo de filtragem aplicado ao
sinal puro de EA.
Figura 20 – Filtragem do sinal puro de EA.
Fonte: autoria própria.
2.19 MONITORAMENTO DE SINAIS ACÚSTICOS
As primeiras aplicações em EA foram para detectar falhas estruturais em
materiais frágeis, com as primeiras observações em cerâmicas em 6500 a. C.
Em 3700 a. C., na Ásia Menor, emissões audíveis em metais (estanho) foram
observadas durante as deformações plásticas do material. Posteriormente,
centenas de anos depois, já em 1923, Albert M. Portevin e François Le
Chatelier reportaram ruídos audíveis durante o escoamento em ligas de
alumínio-cobre-magnésio. Em 1924, Eherenferst e Joffé relataram que durante
o corte de rochas e zinco produziam-se clicking noises e, em 1935-1937, ruídos
durante rotação acompanhada de compressão em metais.
Em 1936, Föster F. realizou a primeira experiência instrumentada,
registrando emissões causadas pela obtenção de martensita em liga de aço
29% de níquel. Kaiser, em 1950, realizou testes convencionais para determinar
os ruídos gerados pelo corpo de prova buscando uma relação entre curva de
tensão de deformação e as frequências monitoradas.
Dornfeld e Cai (1984), por meio da medições de EAs e das forças de
corte durante um processo de retificação plana, concluíram que a energia de
EA é proporcional à força horizontal de corte (FH). A Figura 21 apresenta os
resultados dessas medições obtidas pelos rebolos afiados e cegos, mostrando
que a relação não depende do estado de afiação do rebolo.
Figura 21 – Relação EA (RMS²) e força de corte (FH).
Fonte: Dornfeld e Cai (1984 adaptado de FELIPE JUNIOR, 1996).
Uehara e Kanda (1984) acompanharam as mudanças periódicas do sinal
acústico no torneamento e fresamento do aço com 0,45% de carbono, titânio,
aço inoxidável e latão, comparando os distintos materiais, desgastes da
ferramenta, condições de usinagem e material da ferramenta. No torneamento,
o sensor foi montado na ferramenta e no fresamento na peça. A Figura 22
mostra os espectros de frequência do torneamento dos quatro materiais.
Figura 22 – Frequência para o processo de torneamento (para diferentes
materiais).
Fonte: Uehara e Kanda (1984).
Uehara e Kanda (1984) concluíram que o sinal de EA muda com o
processo de usinagem, geometria da ferramenta, material da peça e estado da
ferramenta conforme os espectros de frequência apresentados na Figura 22 e
na Figura 23.
Figura 23 – Frequência para o processo de fresamento (para fresa nova e
fresa gasta e diferentes materiais).
Fonte: Uehara e Kanda (1984).
Konig e Meyen (1990) utilizaram o sinal de EA para detectar as fases do
processo de retificação cilíndrica com sensores fixados no ponto e no
contraponto. A distinção das fases foi dividida em desbaste, acabamento e
acabamento fino, conforme
Figura 24, atribuída à diferença nas taxas de remoção entre as fases.
Desbaste
Acabamento
Acabamento fino
Entrada
Tempo de corte
0 5 10 15 20
0,2
0,4
0,6
0,8
V
S
Am
pli
tud
e d
a E
.A.
Figura 24 – Sinal de EA na retificação.
Fonte: König e Meyen (1990).
Com a finalidade do monitoramento universal online no processo de
retificação, König e Meyen (1990) sugerem que o sistema seja capaz de
identificar automaticamente as fases do processo. Os autores também
empregam o sinal de EA para detectar vibrações e bom acabamento superficial
da peça. Para monitorar esse problema, usou-se o componente dinâmico da
EA.
Blum e Inasaki (1990) monitoraram o corte reverso (rotação da peça no
sentido contrário) para forçar o atrito por deslizamento na zona terciária (Figura
25). A amplitude do sinal provocado pelo atrito da ferramenta sobre a peça foi
de 10% do sinal de EA do corte.
Figura 25 – Deformações nas zonas de corte.
Fonte: Blum e Inasaki (1990).
As curvas normalizadas de EA foram mais sensíveis ao desgaste de
flanco de ferramenta (Figura 26). Blum e Inasaki (1990) compararam as curvas
normalizadas da força de corte e dos sinais acústicos, e concluíram que o
monitoramento do desgaste de EA é mais sensível que o monitoramento do
desgaste por força de corte.
Figura 26 – Modo de EA, força de corte x desgaste de flanco.
Fonte: Blum e Inasaki (1990).
Blum e Dornfeld (1990) monitoraram o contato e o centelhamento do
rebolo-peça nas retificações plana e cilíndrica. O sensor foi acoplado à mesa
suporte de peça em retificação. Diversos testes com rebolos afiados e não-
afiados foram realizados. Os autores mostraram que o sinal de EA apresenta
uma queda de nível a cada passo, o que significa que a deformação da
máquina está sendo eliminada. Quando o sinal se estabiliza, o centelhamento
está finalizado e não há mais remoção de material, mas apenas atrito dos
grãos do rebolo na peça.
Inasaki e Okamura (1985) utilizaram dois sensores de EA para monitorar
a retificação cilíndrica e a dressagem. Os sensores foram posicionados no
contraponto da máquina e no suporte do dressador, e ambos foram ligados no
mesmo pré-amplificador. Na dressagem, a profundidade mínima foi garantida
por meio do monitoramento do sinal gerado no processo. Se o sinal permanece
constante, indica que o rebolo foi dressado de maneira uniforme e o possível
desgaste foi compensado. Caso contrário, o rebolo deve ser novamente
reafiado. Os autores afirmam que, na dressagem, o sinal de EA é usado para
prever o comportamento do processo de retificação, e que o aumento da
profundidade e da velocidade de dressagem proporcionava o aumento da
rugosidade da peça e do sinal de EA. A
Figura 27 mostra os resultados da relação velocidade de dressagem (fd)
com nível gerado de EA e a rugosidade Ra.
EA
Ra
40m
80m
0 100 200
Avanço dressador [m/ver.]
0,2
0,3
0,4
0,1
0,2
0,3
Ru
gosi
dad
e R
a [
m]
Am
pli
tud
e E
A [
mV
]
80
100
120
80 100 120
Amplitude EA [mV]
Ra
(a) (b)
Figura 27 – Relação Dressagem versus sinal EA versus rugosidade.
Fonte: Inasaki e Okamura (1985).
König e Klumpen (1993) relacionaram o uso do sinal acústico para o
monitoramento da dressagem. As observações dos autores basearam-se nas
estratégias modernas de monitoramento do processo de dressagem
fundamentadas em limites estáticos. Os resultados mostraram que, quando o
valor RMS da EA cai abaixo do limite durante o processo, um sinal é emitido.
Esse método, entretanto, depende de um sinal constante de EA durante a
dressagem. Quando rebolos perfilados são dressados, o perfil do rebolo deve
ser dividido em elementos geométricos, com limites individuais, pois o sinal
pode variar de acordo com as condições de movimento do dressador. A
Figura 28 mostra a dressagem para um perfil reto e outro com contorno.
Geometria do rebolo
Rebolo reto Rebolo perfilado
Tempo de dressagem td
EA
- U
RM
S
Alerta Alerta
Tempo de dressagem td
EA
- U
RM
S
EA
Figura 28 – Sinais acústicos de dressagem para os rebolos reto e
perfilado.
Fonte: König e Klumpen (1993).
Liao et al. (2007) apresentaram uma metodologia baseada na
transformada de Wavelet para monitoramento dos sinais de EA na dressagem.
Sinais acústicos foram coletados quando o rebolo estava afiado e cego.
Características discriminantes foram extraídas de cada segmento dos sinais
brutos utilizando a decomposição discreta da Wavelet. Um algoritmo de
agrupamento de seleção genético foi aplicado nessas características extraídas
para distinguir diferentes estágios de desgaste do rebolo. Os autores
concluíram que o método proposto pode conseguir uma precisão de 97% para
a condição de elevada taxa de remoção de material, de 86,7% para a condição
de baixa taxa de remoção de material e de 76,7% para as condições
combinadas de dressagem.
Vieira e Oliveira (2002) desenvolveram um sistema de monitoramento
capaz de identificar falhas ocorridas durante a dressagem e o processo de
retificação centerless acima dos centros de hastes de válvulas. A nova
metodologia consistia em criar um mapa digital, baseado em informações
acústicas detalhadas do processo, usando uma constante de tempo muito
pequena. O sistema utilizava um sensor de EA como meio de sondagem e um
sensor indutivo de proximidade como gatilho para sincronizar o início da
aquisição (
Figura 29).
Figura 29 – Concepção básica do sistema de mapeamento.
Fonte: Vieira e Oliveira (2002).
Os sinais de EA foram utilizados para a obtenção de um gráfico 3D. A
representação numérica da imagem formada pelo gráfico 3D era uma matriz de
valores de magnitude RMS do sinal de EA adquirido durante retificação. Devido
à grande velocidade de aquisição utilizada, essa matriz possui uma grande
quantidade de pontos que representam o comportamento do sinal de EA
durante o período de aquisição. A
Figura 30 mostra uma ilustração do procedimento de construção do
gráfico 3D durante o processo de retificação centerless e a
Figura 31 ilustra o procedimento de construção do gráfico 3D para
dressagem.
Figura 30 – Procedimento de construção do mapa do rebolo no processo
de retificação centerless.
Fonte: Vieira e Oliveira (2002).
Figura 31 – Procedimento de construção do mapa do rebolo no processo
de dressagem.
Fonte: Vieira e Oliveira (2002).
Os resultados mostraram a potencialidade do sistema de mapeamento
em detectar e diagnosticar problemas ocorridos durante processos de
retificação e dressagem.
Schühli (2007) analisa um sistema de monitoramento baseado na técnica
de fusão de sensores aplicado em uma retificadora cilíndrica externa. A fusão é
realizada entre os sinais de potência e EA para a obtenção do parâmetro FAP
(Fast Abrasive Power) por meio do método desenvolvido por Valente (2003). O
estudo baseou-se na construção dos gráficos das variações dos sinais em
relação ao tempo de execução do processo e aos mapas do FAP e acústico. O
sistema de monitoramento avaliado tem como característica baixa
complexidade de instalação e execução. Os resultados mostraram que o FAP é
uma resposta dinâmica e confiável, e que essas características são
interessantes para o monitoramento de processos de retificação sendo
superiores àquelas apresentadas isoladamente pelos sinais de potência e
emissão acústica.
CAPÍTULO 3
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo, são apresentados os testes experimentais executados
para verificar a viabilidade do estabelecimento de um padrão de sinais de EA
adequado para detectar o exato momento em que o operador deve interferir no
processo para atendimento dos requisitos de fabricação estabelecidos.
Para atingir o objetivo proposto, foram realizados ensaios de retificação
cilíndrica de passagem sem centros (centerless) em hastes de aço carbono,
sendo adquiridos sinais durante o tempo de contato do rebolo com a peça, por
meio de sensor de EA fixado na régua de apoio da peça.
3.1 EQUIPAMENTOS E MATERIAIS UTILIZADOS
3.1.1 MÁQUINA RETIFICADORA
Os experimentos foram realizados em uma máquina retificadora modelo
RK 350/20 Centerless Grinder, fabricada pela empresa Cincinnati Milacron,
com rotação máxima do rebolo de corte 1500 rpm e 70 rpm para o rebolo de
arraste, instalada nas dependências da Magneti Marelli Cofap, departamento
de produção do setor de usinagem de hastes para amortecedores, utilizada na
operação de acabamento, similar à máquina apresentada na
Figura 32.
Figura 32 – Retificadora Centerless de Passagem Cincinati RK 350/20.
Fonte: autoria própria.
3.1.2 REBOLOS
O rebolo de corte é do tipo anel resinoide codificado como ART AA220,
dimensões: 609 mm de diâmetro externo, 508 mm de comprimento e 304 mm
de diâmetro interno, fabricante Saint Gobain Norton. O rebolo de arraste é do
tipo resinoide codificado como UL A80RR, dimensões: 355 mm de diâmetro
externo, 508 mm de comprimento e 152 mm de diâmetro interno, fabricante
Saint Gobain Norton. A régua de apoio do corpo de prova durante a passagem
por entre os rebolos é composta de uma pastilha de metal duro na parte de
contato com a peça e apresenta ângulo de contato de 20°. A velocidade média
de passagem é de 5000 mm/min.
3.1.3 CORPO DE PROVA
Os corpos de prova foram hastes de amortecedores. Amortecedor,
conforme a Figura 33, é um componente automotivo utilizado na suspensão de
veículos. Seu objetivo é amortecer os impactos da suspensão tanto na tração
quanto na compressão. O amortecedor tem seu princípio de funcionamento
como um pistão hidráulico e a haste. A
Figura 34 mostra um dos componentes principais desse conjunto. Na sua
superfície, são montados outros componentes com a finalidade de vedação.
Além disso, a haste tem um movimento axial constante quando em
funcionamento, por isso a rugosidade é uma das características mais
importantes para esse componente.
Os corpos de prova foram de aço NBR 8647 / ABNT 1035 com diâmetro
de 12,8 mm e comprimento de 400 mm, oriundos de barras de aço trefiladas. A
superfície do corpo de prova não está no seu estado original de fornecimento.
Foi realizado um processo de tratamento térmico superficial através de têmpera
por indução com dureza de 75 HRA e profundidade efetiva de têmpera de 500
HVI, sendo que a camada temperada varia de 0,5 a 1,0 mm.
Figura 33 – Amortecedor em corte.
Fonte: autoria própria.
Figura 34 – Corpo de prova – haste de amortecedor.
Fonte: autoria própria.
3.1.4 FLUÍDO DE CORTE
No processo de retificação dos corpos de prova e durante a coleta de
dados, o sistema peça-rebolo foi lubrificado e refrigerado por óleo solúvel em
água tipo ECOCOOL P1978 com fator de refração de 1,7 do fabricante
FUCHS. A vazão do fluido foi de 0,13 m3/min cobrindo toda a extensão do
sistema e concentrado a uma faixa de 6 a 8%. O fluido de corte é uma mistura
de água, aditivos e óleo, em que a água é responsável pela refrigeração e os
aditivos com o óleo responsáveis pela lubrificação. Para verificação de
concentração durante o processo de retificação, foi utilizado refratômetro marca
Atago, modelo N1-E BRix 0~32%, de acordo com a
Figura 35.
Figura 35 – Refratômetro ATAGO N1-E Brix 0~32%.
Fonte: autoria própria.
3.1.5 RUGOSÍMETRO
A superfície de peças retificadas apresenta diferentes perfis compostos
de picos e vales (rugosidade). Para se ter um acabamento adequado à
superfície, é necessário determinar o nível de rugosidade das peças. Então,
deve-se adotar um parâmetro de rugosidade que possibilite avaliação.
Os parâmetros de rugosidade são: Ra – rugosidade média, Ry –
rugosidade máxima, Rt – rugosidade total e Rz – rugosidade de profundidade
média. Em função de o corpo de prova avaliado ter uma característica de atrito
constante e fazer parte do sistema de vedação do amortecedor, pode-se
avaliar a rugosidade por meio dos parâmetros de Ra ou Rz.
De acordo com a DIN 4287, o parâmetro de rugosidade Ra é a média
aritmética dos valores absolutos das ordenadas de afastamento (yi) e dos
pontos do perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro do percurso de
medição (lm). Essa grandeza pode corresponder à altura de um retângulo, cuja
área é igual à soma absoluta das áreas delimitadas pelo perfil de rugosidade e
pela linha média, tendo por comprimento o percurso de medição (lm). A
Figura 36 mostra uma representação gráfica da medição nesse
parâmetro.
Figura 36 – Perfil de rugosidade Ra.
Fonte: adaptado DIN EN ISO 4287, ASME B46.1.
O parâmetro de rugosidade Rz é a distância vertical entre o pico mais alto
e o mais profundo vale dentro de uma amostragem de rugosidade. Na
representação gráfica do perfil (
Figura 37), esse valor corresponde à altura entre os pontos máximos e
mínimos do perfil no comprimento de amostragem (le).
Figura 37 – Perfil de rugosidade Rz.
Fonte: adaptado DIN EN ISO 4287, ASME B46.1.
Dentre os dois parâmetros de avaliação da rugosidade, foi determinado o
parâmetro Rz para avaliação dos corpos de prova, pois leva em consideração
todos os picos e vales do perfil analisado.
Para obtenção dos valores de rugosidade dos corpos de prova após o
processo de retificação, foi utilizado um rugosímetro digital MAHR
PERTHOMETER, modelo M2 WERK, com seleção de comprimento de
amostragem (cut-off) de 0,8 mm e percurso de medição cinco vezes o valor de
cut-off. A
Figura 38 e a
Figura 39 mostram o rugosímetro e a maneira como o corpo de prova foi
posicionado para medição.
Figura 38 – Rugosímetro digital MAHR PERTHOMETER M2.
Fonte: autoria própria.
Figura 39 – Detalhe da medição (apalpador e corpo de prova).
Fonte: autoria própria.
3.1.6 SENSOR DE EMISSÃO ACÚSTICA
Apalpador Corpo de
prova
A aquisição dos sinais de RMS de EA baseou-se em um sensor
piezelétrico acoplado a um condicionador de sinal, modelo SENSIS DM-42,
com uma taxa de aquisição de 5.000 amostras por segundo, conforme
Figura 40. No condicionador de sinal, foram parametrizados: ganho de
entrada de 10 V RMS, ganho de sinal de 15 V RMS, redução de ruído de 05 V RMS,
filtro passa alta de 50k V RMS e frequência de amostragem de
1000000000000000000.
Figura 40 – Condicionador de sinal modelo SENSIS DM-42 e sensor
piezoelétrico.
Fonte: autoria própria.
3.1.7 SOFTWARES
Foram utilizadas as interfaces LabviewTM e MatLABTM, sendo a primeira
para a aquisição dos dados e a segunda para manipulação dos dados de forma
mais científica. Nessa manipulação, ainda foi utilizado o filtro de sinal do tipo
wavelet e aplicada uma decomposição do nível cinco para análise dos
resultados.
3.1.8 INSTRUMENTOS ADICIONAIS
Foi empregado um microcomputador para manipulação e armazenagem
dos dados e um transdutor de sinal A/D da National Instruments (
Figura 41), modelo PCI-6210E, com dois canais analógicos de entrada e
frequência de amostragem de 2,5 MHz.
Figura 41 – Transdutor de sinal A/D, National Instruments, modelo PCI-
6210E.
Fonte: autoria própria.
3.2 MONTAGEM EXPERIMENTAL
O sensor de EA foi posicionado na régua de apoio da peça, localizada
entre os rebolos de arraste e corte, numa região plana onde pudesse garantir
seu total contato (
Figura 42). Ficou localizado na saída da régua, ou seja, na extremidade
por onde saíam as peças retificadas (
Figura 43). A montagem dos demais instrumentos seguiu conforme
Figura 42 e
Figura 44.
Figura 42 – Esquema de montagem do sistema de aquisição de sinais.
Fonte: autoria própria.
Figura 43 – Detalhe do alojamento do sensor de EA.
Fonte: autoria própria.
Guias de saída
Régua de apoio
Sensor
Rebolo de corte
Figura 44 – Detalhe da Montagem dos equipamentos.
Fonte: autoria própria.
3.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O objetivo deste experimento foi coletar sinais de EA e valores de
rugosidade em um intervalo de tempo definido logo após a dressagem do
rebolo de corte.
Por se tratar de uma retificadora de produção seriada, o equipamento já
se encontrava devidamente inicializado e com os seus parâmetros iniciais de
produção ajustados. Após instalação e verificação de funcionamento da
instrumentação citada anteriormente, foi realizada a dressagem do rebolo de
corte. Os parâmetros para essa dressagem ocorreram com uma profundidade
de dressagem de 0,08 mm e uma velocidade de avanço do dressador de 99
mm/min, parâmetros esses previamente estabelecidos no processo produtivo
da indústria.
Após a dressagem, foi retificada uma peça e nesta realizadas as
verificações para certificar se estava de acordo com os padrões de aceitação
do produto e liberação de setup do equipamento. A partir daí, com o processo
liberado para produção, foi iniciada a coleta de dados para os experimentos.
Foram retificadas cinco peças consecutivas, ou seja, uma em seguida à
outra preenchendo totalmente o vão de retificação. Então, foi retificada uma
sexta peça, sozinha no vão de retificação e, durante a retificação desta,
Transdutor de sinal
Condicionador
de sinal
Fonte
energia
PC
Corpo de
Prova Apalpador
Rugosímetro
Região
FIM
Região
MEIO
Região
INÍCIO
registrado o sinal de EA. Essa peça foi segregada e numerada como amostra 1
no tempo zero minuto para posterior medição de rugosidade.
A produção seguiu em ritmo normal, retificando peças de forma
ininterrupta e, durante esse período, ainda foram coletados sinais de EA por
um tempo aleatório. Após cinco minutos de produção seriada, o processo foi
interrompido para retificar uma nova amostra, que recebeu a identificação de
amostra 2 no tempo 5 minutos e, da mesma forma que a amostra 1, foi
segregada para posterior medição. Esse procedimento se repetiu até amostra 9
no tempo 40 minutos.
As medições de rugosidade das amostras segregadas foram tomadas em
três regiões ao longo do comprimento do corpo de prova. A região denominada
de início foi a região a 100 mm da extremidade do corpo de prova onde existe
uma espiga com rosca. A região denominada de meio representava a metade
do comprimento do corpo de prova. A região denominada fim foi a região a 100
mm da outra extremidade do corpo de prova. Em cada região (início, meio e
fim), foram medidas as rugosidades em quatro pontos equidistantes em relação
ao diâmetro do corpo de prova, conforme demonstrado na Figura 45.
Figura 45 – Região de medição da rugosidade nos corpos de prova.
Fonte: autoria própria.
De posse dos dados de rugosidade das peças, após retificação, e dos
sinais de EA destas, durante o processo de retificação, foram realizadas as
análises.
CAPÍTULO 4
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Neste capítulo, são apresentados os resultados obtidos nos experimentos
mencionados no capítulo anterior.
São apresentados, nas Tabelas a seguir, os resultados das medições de
rugosidade nos corpos de prova. Na Tabela 1 - Resultados de rugosidade
medidos no INÍCIO do corpo de prova.Tabela 1, apresentam-se os resultados
de rugosidade medidos no início em seus quatro pontos de medição. Da
mesma, forma, apresenta-se a Tabela 2 com os resultados de rugosidade na
região do meio do corpo de prova e a Tabela 3 com os resultados de
rugosidade na região do fim do corpo de prova.
Tabela 1 - Resultados de rugosidade medidos no INÍCIO do corpo de
prova.
Tempo [min] Rugosidade Rz [µm]
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4
0 0,94 0,89 0,93 0,96
5 0,93 0,87 0,75 1,09
10 0,82 0,84 0,95 0,80
15 0,83 0,69 0,85 0,90
20 0,79 0,92 0,89 1,05
25 0,94 1,03 1,02 1,04
30 0,94 0,77 1,05 0,95
35 1,17 1,20 0,94 0,71
40 0,79 0,85 0,78 0,89
Tabela 2 – Resultados de rugosidade medidos no MEIO do corpo de
prova.
Tempo [min] Rugosidade Rz [µm]
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4
0 0,85 1,13 1,09 0,97
5 1,05 0,96 1,06 1,06
10 0,81 0,88 0,92 0,84
15 0,80 0,77 0,88 0,76
20 0,98 0,81 0,83 0,93
25 1,02 0,91 0,68 0,95
30 0,81 0,77 0,83 0,86
35 0,97 0,99 1,16 1,18
40 0,91 0,80 0,79 0,97
Tabela 3 – Resultados de rugosidade medidos no FIM do corpo de prova.
Tempo [min] Rugosidade Rz [µm]
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4
0 0,96 1,15 0,97 0,96
5 1,00 1,01 1,00 0,93
10 0,84 0,84 1,03 0,88
15 0,84 0,91 0,85 0,70
20 0,92 1,11 0,91 1,12
25 1,05 1,02 0,98 1,04
30 0,80 0,83 0,83 0,72
35 0,93 1,12 0,85 1,14
40 1,20 0,88 1,08 1,02
Analisando de forma gráfica os resultados das medições desses quatro
pontos equidistantes nas três regiões definidas, observou-se que os valores
médios de rugosidade não têm grande variação entre as regiões conforme a
Figura 45.
Figura 45 – Gráfico comparativo dos valores de rugosidade.
Fonte: autoria própria.
Na região início, observaram-se valores médios na ordem de 0,91 µm Rz;
na região meio, valores médios de 0,92 µm Rz; e, na região fim, valores médios
de 0,96 µm Rz, ou seja, uma variação de apenas 5% entre as médias das
regiões de medição. Essa variação dos valores médios de rugosidade entre as
regiões pode ser considerada não-significante. No entanto, vale ressaltar que
se observou um incremento no valor de rugosidade do início para o fim. Tal
incremento pode ser explicado: ao se passar um único corpo de prova pelo vão
de retificação, a região final sofre vibração na saída do vão de retificação.
Os dados de emissão acústica foram gravados de um único corpo de
prova no vão de retificação e de uma série de corpos de prova no vão de
retificação (preenchendo-o por completo).
A Figura 46 mostrou o comportamento do sinal de EA da amostra 1 no
tempo 0 minuto de um único corpo de prova passando pelo vão de retificação.
Observou-se um gráfico com valores iniciais baixos, no qual atinge seu máximo
na metade do tempo e torna a decrescer aos níveis iniciais no final. Esse
comportamento gráfico do sinal de EA é explicado no início com um nível baixo
porque o corpo de prova ainda não tem todo seu comprimento retificado. Na
metade do gráfico, atinge seu nível máximo em função de o corpo de prova se
encontrar todo dentro do vão de retificação; são mais arestas dos grãos
abrasivos do rebolo de corte em contato com o corpo de prova. No final, o sinal
volta ao mesmo nível do início em função de o corpo de prova já ter quase todo
seu comprimento retificado.
Figura 46 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 1 no tempo 0
minuto.
Fonte: autoria própria.
Da mesma forma, foram analisados os demais gráficos. No entanto,
observou-se um comportamento similar das amostras 2 a 6, nos tempos 5 a 25
minutos, com uma alteração gradual na amplitude da frequência do sinal,
conforme apresentados a seguir.
Figura 47 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 2 no tempo 5
minutos.
Fonte: autoria própria.
Figura 48 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 3 no tempo
10 minutos.
Fonte: autoria própria.
Figura 49 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 4 no tempo
15 minutos.
Fonte: autoria própria.
Figura 50 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 5 no tempo
20 minutos.
Fonte: autoria própria.
Apesar de até a amostra 6 os gráficos apresentarem comportamento
similar, observou-se um aumento na amplitude do sinal da amostra 1 para a
amostra 6 de 36%, que pode ser explicado pelo fato de os grãos abrasivos
iniciarem o processo de desgaste descrito na capítulo 2, item 2.6.
Os demais gráficos das amostras 7 a 9 nos tempos 30 a 40 minutos já
demonstraram comportamentos diferentes aos anteriores conforme
apresentado a seguir.
Figura 51 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 6 no tempo
25 minutos.
Fonte: autoria própria.
Figura 52 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 7 no tempo
30 minutos.
Fonte: autoria própria.
Figura 53 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 8 no tempo
35 minutos.
Fonte: autoria própria.
Da amostra 7 no tempo 30 minutos para a amostra 9 no tempo 40
minutos, observou-se um aumento na amplitude do sinal de EA de 50%,
mostrando claramente o avançamento do processo de desgaste dos grãos
abrasivos do rebolo de corte. Para a análise da amplitude do sinal de EA, foi
utilizada a média do sinal de EA de cada amostra no tempo conforme Tabela 4.
Figura 54 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 9 no tempo
40 minutos.
Fonte: autoria própria.
Tabela 4 – Valores médios do sinal de emissão acústica.
Tempo [min] EA Média
[RMS]
0 0,47
5 0,56
10 0,62
15 0,65
20 0,67
25 0,74
30 0,85
35 0,93
40 1,20
A Figura 55 mostrou o comportamento gráfico do sinal de EA médio
durante o período analisado. Observou-se que ao final de 40 minutos o nível de
EA subiu 68%.
C
Figura 55 – Gráfico do sinal médio de emissão acústica das amostras 1
a 9 nos tempos 0 a 40 minutos.
Fonte: autoria própria.
Como mencionado anteriormente, além de registrados os sinais de EA de
uma única peça passando pelo vão de retificação, também foram registrados
os sinais de EA de várias peças no vão de retificação. O gráfico apresentou
uma forma de “dente de serra”, em que os vales delimitaram o início e o final
de cada peça. Analisado esses sinais no tempo 0 minuto e no tempo 40
minutos, observaram-se sinais similares aos sinais de quando foi passada uma
peça única pelo vão de retificação.
Uma diferença observada entre os gráficos do sinal de EA de uma peça e
de várias peças foi que no gráfico de várias peças não se têm amplitudes
elevadas no início do gráfico, como observado no gráfico do sinal de EA de
uma peça. Uma explicação para essa diferença é que, no gráfico de várias
peças, uma peça está sempre em contato com a outra, eliminando-se a
vibração da peça na entrada do vão de retificação. A Figura 56 apresentou o
gráfico do sinal de EA no tempo 0 minuto e a Figura 57 no tempo 40 minutos.
Figura 56 – Gráfico do sinal de EA de várias peças durante a retificação
no tempo 0 minuto.
Fonte: autoria própria.
Finalizando as análises, foi observado num mesmo gráfico o
comportamento dos valores de rugosidade e do sinal de EA ao longo do tempo
conforme mostrado na Figura 58.
Figura 58 – Gráfico comparativo entre os valores de Rugosidade e EA
média.
Fonte: autoria própria.
Figura 57 – Gráfico do sinal de emissão acústica de várias peças durante
a retificação no tempo 40 minutos.
Fonte: autoria própria.
Observou-se que os valores de rugosidade não apresentaram uma
tendência de piora ao final dos 40 minutos de produção. No entanto, observou-
se claramente que os valores de EA aumentaram significativamente. Essa
observação está relacionada com o mecanismo de desgaste do rebolo nas
suas três condições: desprendimento de grãos abrasivos, desgaste dos grãos
abrasivos e fratura dos grãos abrasivos (MALKIN, 1989).
CAPÍTULO 5
5 CONCLUSÕES
Após a análise dos resultados dos valores medidos de rugosidade e do
monitoramento dos sinais de EA, pode-se concluir que:
os valores médios de rugosidade representam claramente a variação de
rugosidade entre as três regiões: início, meio e fim do corpo de prova, da
mesma forma que as medições dos quatro pontos equidistantes.
Durante o período monitorado, não se observou uma tendência clara de
que os valores de rugosidade tendiam para fora dos padrões de
aceitação do produto. Contudo, observou-se que a dispersão dos
valores de rugosidade nos tempos finais foi mais significativa quando
comparada com os tempos iniciais.
Observou-se que os dados de EA médios representam o sinal de EA de
cada corpo de prova durante o tempo estudado.
Observou-se que o monitoramento via EA permite identificar fontes de
variação do processo tipo vibrações causadas por folgas nas guias de
entrada do rebolo de corte.
Conclui-se que o sinal de EA tem comportamento similar quando
retificada uma peça ou uma série de peças.
Pode-se concluir que o sinal de EA é mais estável no seu início quando
se retifica peças em série se comparado com a retificação de uma peça
por vez.
Observou-se que o sinal de EA teve sua amplitude aumentada
significativamente ao longo do período estudado.
Finalmente pode-se concluir que é possível determinar parâmetros de
monitoramento do processo de retificação centerless via EA.
CAPÍTULO 6
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