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Influência do Fator-G nos custos de produção no processo de
retificação centerless de passagem
ALESSANDRO RASCALHA, UNILAVRAS, [email protected]
SÉRGIO LUIZ MONI RIBEIRO FILHO, Universidade Federal de São João del Rei,
LINCOLN CARDOSO BRANDÃO, Universidade Federal de São João del Rei, [email protected]
JULIANO APARECIDO DE OLIVEIRA, Universidade Federal de São João del Rei,
Resumo: Retificação é o principal processo de fabricação usado em operações de
acabamento. Em particular, a retificação centerles, é amplamente utilizada para produzir os
mais diversos produtos, como por exemplo, rolamentos de rolos, haste da válvula e haste dos
amortecedores. Retificadoras centerless são utilizadas na produção de grande escala devido
ao menor tempo de produção e uma elevada flexibilidade. No entanto, a configuração deste
equipamento é complexa, lenta e depende da habilidade dos operadores. Portanto, a escolha
correta dos parâmetros do processo é importante para definir exatamente a estratégia de
corte e para permitir a otimização do processo. Este trabalho mostra a análise dos
parâmetros de entrada, taxa de alimentação e tipo de materiais sobre as respostas Fator-G,
rugosidade, e erro de cilindricidade. Dessa forma, hastes dos amortecedores foram usados
como corpos de prova no chão de fábrica. Os parâmetros de entrada foram a taxa de
alimentação e o tipo de material (aços SAE 1020 e 1045). As respostas foram a rugosidade, o
erro de cilindricidade, e o Fator-G. Os resultados mostraram que o material da peça é o
parâmetro que tem mais influência sobre o Fator-G e a rugosidade. Além disso, a taxa de
alimentação teve pouca influência sobre o acabamento das peças, principalmente sobre o
erro de cilindricidade. Finalmente, observa-se que o tipo de material tem grande influência
nos custos de produção podendo atingir até 11% com a variação do tipo de material.
Palavras-chave: Retificação, Fator-G, Retificação centerless, Custos de Produção.
1. Introdução
A preparação de retificadoras centerless é muito complexa e demanda várias ações
para proporcionar um condicionamento perfeito e um bom funcionamento durante a operação
de retificação. As principais atividades desenvolvidas na preparação do rebolo, antes do início
da produção de peças, são a dressagem e a limpeza. A operação de limpeza tem o objetivo de
limpar, afiar, e corrigir o formato do rebolo de corte (WEGENER et al., 2011).Durante o
processo de retificação centerless é essencial estabelecer um setup para definir exatamente o
controle e o movimento da peça no vão de retificação. A instalação de setup perfeito é
necessária para garantir a rigidez do processo sem grandes mudanças nos parâmetros de
entrada (WU et al. ,2005). Durante o processo de retificação, carregamentos térmicos,
químicos e mecânicos estão presentes e são aplicados sobre o rebolo de corte. O principal
efeito destes carregamentos é o desgaste do rebolo que modifica a topografia do rebolo e
conjuntamente da peça.
O macro desgaste ocorre com degradação da macro geometria pela troca de perfil,
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produzindo erros de forma e erros de batida. Além disso, o micro desgaste ocorre ao mesmo
tempo e é responsável por duas diferentes situações que são o arrancamento de grãos e a
quebra destes grãos gerando novas arestas de corte (KLOCKE e KÖNIG, 2005).Estes
fenômenos ocorrem simultaneamente e são correlacionados aos parâmetros do processo, tipo
de máquina e operação de dressagem. A dressagem é usada para reconstruir a topografia do
rebolo e melhorar a qualidade do rebolo de corte, além de, proporcionar um pequeno desgaste
do rebolo de corte e não ter influência no consumo.
O consumo do rebolo de corte é chamado de Fator-G e corresponde ao volume do
material removido dividido pelo volume de rebolo de corte desgastado. O Fator-G é
influenciado pela dureza do material do corpo de prova e o tipo de rebolo de corte.
Geralmente, material de baixa dureza são retificados com rebolos de corte duros e materiais
endurecidos por rebolos de corte mais macios, como os rebolos super abrasivos.
Considerando o processo de retificação tradicional o Fator-G varia de 20:1 a 80:1 (BIANCHI
et al., 2003).
O Fator-G é influenciado por diversos parâmetros durante o processo de retificação,
principalmente na retificação centerless de passagem. Apesar de apresentar propriedades
pobres considerando a refrigeração do processo, óleos emulsionáveis são comumente usados
para baixas velocidades de corte para ajudar na diminuição do desgaste do rebolo. O
desempenho do processo de retificação melhora com o uso de óleos integrais e semi-
sintéticos. Yoon e Kruger (1999) testaram 45 tipos diferentes de fluidos de corte integrais e
semi-sintéticos e mostraram que estes fluidos podem melhorar em até 10 vezes o Fator-G em
comparação com os óleos emulsionáveis.
As forças de corte são outro fator importante que modifica o Fator-G atuando em
paralelo com os fluidos de corte. A aplicação de óleos com enriquecidos com concentrações
de MoS2 (Bissulfeto de Molobidênio) e vazão de 5ml/h pode reduzir as forças de retificação
em mais de 27% e aumentar o Fator-G e mais de 46% quando comparado com óleos
emulsionáveis tradicionais.Diversos autores têm proposto metodologias para aperfeiçoar o
processo de retificação. Algumas técnicas geraram um número de soluções para cada
parâmetro de entrada tais como; propriedades do material, parâmetros do rebolo, velocidade
do corpo de prova, velocidade de alimentação e condições de dressagem. De acordo com os
autores, a velocidade de alimentação é o parâmetro mais promissor porque ela tem uma
interferência direta no Fator-G, no tempo de retificação e na qualidade superficial (SHEN et
al. 1999).
O Fator-G pode variar na faixa de 31,7 a 52,3 dependendo do setup definido para a
velocidade de avanço no processo de retificação. Além disso, a dureza do corpo de prova tem
uma grande influência no Fator-G porque o arrancamento de grãos e/ou a quebra de grãos está
diretamente relacionada com o carregamento da estrutura do rebolo de corte (GUPTA et al.,
1999 e MIDHA et al., 1991).O conhecimento do Fator-G é muito importante no chão de
fábrica devido ao alto custo envolvido no processo de retificação, principalmente no processo
de retificação centerless de passagem que é um processo com altas taxas de produção. Dessa
forma, este trabalho apresenta um estudo da influência da velocidade de avanço e do tipo de
material sobre o Fator-G, rugosidade e cilindricidade das peças retificadas, paralelamente, a
análise do tempo de vida do rebolo e o custo do processo na operação de dressagem.
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2. Metodologia
Testes experimentais foram realizados no chão de fábrica de uma empresa de
amortecedores. A retificadora usada foi um modelo Twin Grip 350-20 RK com 50 HP de
motor principal fabricada pela empresa Cincinnati. Foi usado óleo emulsionável do tipo
EcoCool P1978 fabricado pela FUCHSTM
. A vazão usada nos experimentos foi de 130 l/min e
a faixa de concentração foi entre 6 e 8%.
O rebolo de corte usado foi do tipo ART AA80 KVS com diâmetro externo de 609,6
mm, diâmetro interno de 304,8 mm e comprimento de 508 mm. A velocidade de corte
empregada foi de 40 m/s. Os parâmetros de entrada foram o tipo de material e a velocidade
de avanço. Um planejamento fatorial completo (2k) foi utilizado para identificar os principais
efeitos e interação de fatores de entrada sobre as respostas Fator G, rugosidade e
cilindricidade. A profundidade de corte foi mantida constante com 0,27 mm. Acomposição
química dos corpos de prova são mostradas na Tabela 1.
TABELA 1 - Especificação dos corpos de prova
Material
Composição química [%] Tamanho de grão HRA
C Mn Si P S
ABNT 1045 0,45 0.50 0.15 0.045 0.045 5-8 75
ABNT 1025 0.25 0.45 - 0.04 0.05 5-8 68
Os corpos de prova tinham a tolerância de diâmetro de 12.4-12.425±0.005
mm e
comprimento de 289-380±0.3
mm com dureza de 49 HRC e uma camada de 0,5 a 1 mm de
espessura. O número de corpos de prova fabricados durante o experimento foi de 3.342.656
unidades e o rebolo de corte foi usado até o seu fim de vida. Originalmente o tempo médio de
consumo do rebolo de corte era de 29 dias para a operação de retificação e de 49 dias para a
operação de acabamento. Os testes experimentais foram realizados no chão de fábrica para a
operação de desbaste. Os testes foram repetidos três vezes para garantir a confiabilidade dos
resultados obtidos.
A rugosidade foi medida em três pontos opostos 120 com um equipamento digital
Mahr Perthometer model M2 Werk. A rugosidade foi medida em cinco corpos de prova
escolhidos aleatoriamente a cada quatro horas. Um equipamento de medição tridimensional
modelo Zeiss Condura G32 foi usado para medir a circularidade dos corpos de prova usando a
mesma estratégia da rugosidade. A Tabela 2 mostra os parâmetros de entrada com os seus
níveis.
TABELA 2 - Níveis dos parâmetros de entrada
Parâmetros de entrada Níveis
-1 1
Velocidade de avanço 4.3m/min 6.1m/min
Material ABNT 1025 ABNT 1045
O Fator-G foi medido considerando o volume consumido do material removido
dividido pelo volume consumido de rebolo desgastado. O volume consumido de material
consumido foi considerado pela medição das dimensões da haste de amortecedor antes e
depois do processo de retificação multiplicado pelo número de hastes fabricadas durante o
período dos experimentos. O volume de rebolo desgastado foi medido usando deslocamento
do dressador no sentido radial que controla as dimensões do rebolo de corte. Os testes
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experimentais foram realizados na temperatura de 26 C. O projeto de experimentos foi
realizado usando o MiniTabTM
para verificar os fatores de influência.
3. Resultados e Discussão
3.1Efeitos principais
Os P-valores (0,000 and 0,042) marcados na Tabela III mostram que o efeito principal
Material é significante para as respostas Fator-G e a rugosidade, mas não tem influência sobre
a resposta cilindricidade. Em condição oposta, o efeito principal Avanço não apresenta
significância para as respostas Fator-G, rugosidade e cilindricidade. O valor ajustado R2
foram 78,07, 74,57 e 88,32%, quanto mais próximo de 1 (ou de 100%), melhor é o modelo
ajustado.
As Figuras 1,2 e 3 mostram que os efeitos principais para o Fator-G, rugosidade e erro
de circularidade. De acordo com a Figura 1, o efeito avanço (A) e material (B) sobre o Fator-
G apresentaram uma variação de 29,6% considerando o tipo de material aço SAE 1025 e aço
SAE 1045. Este comportamento pode ser explicado pela dureza do aço SAE 1045 em
comparação com o aço SAE 1025.
Geralmente, materiais mais duros tais como o aço SAE 1045 com dureza superficial
fornecem uma maior quebra de grãos e um menor arrancamento de grãos. Esta condição é
importante porque fornece um consumo menor do rebolo de corte e gera uma afiação do
rebolo de corte. Mais que isto, o Fator-G de 9,25 é um bom valor para um processo de
retificação centerless considerando o grande volume de peças produzidas neste processo.
TABELA 3 - Análise de variância (P-valores)
Fatores
experimentais Fator-G
Rugosidade
[µm]
Cilindricidade
[µm]
Efeitos principais
Avanço 0,800 0,444 0,543
Material 0,000 0,042 0,918
Interações
Avanço vs. Material 0,712 0,753 0,258
R2 Ajustado (%) 78,07 74,57 88,32
FIGURA 1 – Efeito principal do Fator-G
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A Figura 2 mostra os efeitos principais avanço (A) e material (B) sobre a rugosidade
apresentando um pequena diferença de 7% entre os valores de avanço de 4,3 e 6,1 mm/min e
uma variação de 22% entre o tipo de material aço SAE 1025 e aço SAE 1045. Este
comportamento pode ser explicado pela alta dureza do aço SAE 1045 que devido ao fato de
gerar uma quebra maior de grãos , gera um acabamento melhor, em razão da formação de
novas pontas, mais agudas e mais afiadas.
De acordo com a folha de dados do rebolo de número 60 possui uma estrutura que
apresenta uma estrutura aberta. Geralmente, rebolos de corte com estruturas abertas fixam
mais os grãos, evitando o arrancamento dos grãos, devido à fixação mais rígida de grãos. Este
tipo de estrutura ajuda a friabilidade do rebolo que é a capacidade de grãos abrasivos se
fraturar e se auto-afiar. Com base nisto, pode-se verificar que o tipo de material, no caso aço
SAE 1045, ajuda a quebrar melhor os grãos e a melhorar a sua friabilidade. Portanto, o
mecanismo de corte do rebolo torna-se mais eficiente com menos tensão sobre os grãos.
Assim, não só o aumento do Fator-G, mas também a vida do rebolo alteram os custos e a
eficiência do processo de retificação.
FIGURA 2 – Efeitos principais para a rugosidade
A quebra dos grãos gera riscos mais finos e minimiza o efeito de rebarba lateral
gerando uma rugosidade mais precisa. O efeito de rebarba lateral ocorre quando os grãos
durante a retificação empurram a peça de trabalho sem cortá-la. A energia específica de
fricção ou geração de rebarbas é mais do que o exigido no corte ou formação do cavaco.
Assim, a redução da rugosidade ocorre não só devido ao rompimento dos grãos que geram
riscos mais finos, mas também devido à menor energia específica gasta durante o processo de
retificação.
A diminuição da rugosidade foi de 7%, devido ao aumento da taxa de alimentação que
corresponde à deslocação rápida da haste de dentro do vão de retificação e produz uma
redução do número de riscos e uma melhoria da rugosidade. A Figura 3 mostra os efeitos da
taxa de alimentação (A) e de material (B) sobre o erro de cilindricidade, apresentando uma
variação de 5% entre a velocidade de alimentação de 4,3 e 6,3 m / min e uma pequena
variação de 0,9% entre o tipo de materiais dos aços SAE 1025 e 1045. Embora a taxa de
alimentação e material tenha apresentado variações sobre o erro de circularidade com uma
redução de ambos os parâmetros de entrada, os valores podem ser desprezíveis. Com base
nisto, pode-se considerado que a taxa de alimentação e os tipos de materiais não têm qualquer
influência sobre o erro de circularidade.
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FIGURA 3 – Efeitos principais para o erro de cilindricidade
3.2 Efeitos de Interação
A Figura 4 apresenta o efeito da interação da “taxa de alimentação e material”. A
mudança do tipo de material do aço SAE 1025 para SAE 1045 proporciona um aumento
percentual médio de 31% do Fator-G. O resultado do efeito de interação confirma que a
elevada dureza de 1045 fornece um melhor rompimento dos grãos que produzem a
diminuição do desgaste do rebolo. Além disso, pode ser observado que a taxa de alimentação
mostrou um comportamento semelhante com linhas paralelas, assim, não há interação do
material com a taxa de alimentação.
FIGURA 4 – Interação para o Fator-G
A Figura 5 mostra o efeito de interação para a "taxa de alimentação vs. material". A
diminuição da rugosidade quando foi retificado o aço SAE 1045 pode ser observada. O valor
desta diminuição foi semelhante para os dois aços sendo de 25% a 20% para os aços 1045 e
1025. Dessa forma, pode-se afirmar que não há interação entre a taxa de alimentação e o tipo
de material. A diminuição da rugosidade representa uma melhoria do acabamento da haste de
SAE 1045 que foi melhor que o acabamento do aço SAE 1025.
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FIGURA 5 – Interação para o Fator-G
A Figura 6 apresenta a interação "taxa de alimentação vs. material". Uma diminuição
de erros de circularidade pode ser observada de 1,025 para 1,045 m na taxa de alimentação
considerando a velocidade de avanço de 4,3m/min. Na situação oposta ocorreu um aumento
na taxa de alimentação para a velocidade de avanço de 6,1m/min. Assim, pode ser suportado
que o efeito da taxa de alimentação depende do material, o que demonstra que existe uma
interação entre os parâmetros de entrada. No entanto, como referido anteriormente, embora
haja uma interação entre os parâmetros, a Figura 6, suporta que a velocidade de alimentação e
materiais não tem qualquer influência sobre o erro de cilindricidade. Assim, pode ser apoiado
de que a diminuição de erros de cilindricidade é independente da variação da taxa de
alimentação e o tipo de material.
FIGURA 6 – Interação para o Erro de cilindricidade
3.3 Custos de produção
A Tabela 4 apresenta os dados de custos em valores percentuais da influência do
Fator-G em função do material do corpo de prova testado durante uma medição de vida de um
rebolo de corte. O diâmetro inicial do rebolo de corte é de 609,6 mm sendo reduzido até o
diâmetro de 425 mm. Nota-se que foram padronizados experimentos com a mesma redução
de diâmetro do corpo de prova e variando-se apenas o tipo de material do corpo de prova.
Para uma padronização dos experimentos foram realizadas apenas 10 dressagens durante o
período de um dia em cada teste. Geralmente, o consumo total de rebolo para estas operações
de dressagem é desprezível considerando o consumo do rebolo em relação ao consumo de
peças produzidas. Observa-se que para uma redução de 0,2 mm no diâmetro de uma
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determinada haste tem-se um consumo de cavaco, ou seja, material removido durante todo o
período de teste igual a 1642,27 mm3. Para que isto fosse possível, foi padronizado o tamanho
das hastes variando-se apenas os diâmetros iniciais de finais. Para a haste fabricada com o aço
SAE 1025 nota-se que o tempo médio de vida do rebolo foi de 29 dias e para a haste de aço
SAE 1045 este tempo foi de 26 dias. Isto confirma os dados estatísticos da Tabela 3 onde o
tipo de material tem influência sobre o Fator-G. Dessa forma, pode-se notar que o Fator-G
reduz de 9,6 no aço SAE 1025 para 8,6 considerando o aço SAE 1045. Esta queda representa
um aumento de custo de 11% no processo produtivo, apenas com a modificação do tipo do
material a ser produzido pelo processo de retificação. Portanto, o Fator-G é um parâmetro a
ser considerado nos custos de produção quando se retifica materiais com diferentes durezas.
Tabela 4 - Resumo do consumo do rebolo de corte em função do Fator-G
Diâmetro Externo do rebolo
[mm]
Diâmetro interno do rebolo
[mm]
Raio útil
[mm]
Dias de produção
SAE
1025
SAE
1045
609,00 425,00 92,00 29 26
Consumo do rebolo [mm3]
Dressagem
[mm3]
Número de
Dressagens Fator G Fator G
74.512.536,02 290.887,62 10 9,6 8,6
Diâmetro Externo haste [mm] Diâmetro interno haste [mm]
Volume
cavaco
Peça [mm3]
Volume cavaco
total [mm3]
12,4 12,2 1642,27 714.386.388,45
12,4 12,2 1642,27 640.484.348,27
4. Conclusões
Este estudo observou os efeitos da taxa de alimentação e material com o Fator-G,
rugosidade e do erro de circularidade. As principais conclusões deste trabalho são:
A mudança do tipo de material de 1025-1045 aumenta o Fator-G. O valor do Fator-G
de 9,6 representa um bom índice considerando o processo de retificação centerless de
passagem com taxa de alta produtividade e grande desgaste dos rebolos.
A diminuição da rugosidade ocorreu com a mudança do tipo de material dos aços SAE
1025 para SAE1045. A diminuição da rugosidade foi de 22% com a mudança do
material. O aumento da taxa de alimentação foi menos significativo e representou 7%
na diminuição da rugosidade.
A variação da taxa de alimentação e tipo de material não tem influência sobre o erro
redondeza. A variação do erro de cilindricidade foi de 5% para o aumento da taxa de
alimentação e uma pequena variação de 0,9% para o tipo de material.
Os custos de produção podem aumentar em até 11% considerando a variação do tipo
de material do aço SAE 1025 para SAE 1045, representando um aumento significativo
nos custos do processo de retificação centerless.
Referências
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