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III Seminário da Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp - Bauru

INVESTIGAÇÃO DE UM PROCESSO ABRASIVO BASEADO NOS PRINCÍPIOS DA LAPIDAÇÃO E RETIFICAÇÃO

Arthur Alves Fiocchi Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

Prof. Dr. Luiz Eduardo de Angelo Sanchez

Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

RESUMO Este trabalho trata do desenvolvimento de um processo abrasivo para acabamento de

peças planas baseado na combinação de importantes características da retificação e da lapidação. Ao invés de grãos abrasivos soltos entre a peça e o disco de lapidação, um rebolo resinóide de carboneto de silício prensado a quente é colocado sobre o disco de uma máquina parecida com uma lapidadora o qual é dressado. Além de manter o disco plano, a dressagem também tem a função de interferir no comportamento do processo por meio da variação do grau de recobrimento de dressagem (Ud). Verificou-se que o processo proposto pode ser controlado mais facilmente do que na lapidação, a qual conta com um grande número de variáveis, reduzindo substancialmente o tempo de preparação de usinagem. Os valores obtidos de rugosidade e planicidade mostraram-se comparáveis aos da lapidação com a vantagem da superfície da peça ser menos contaminada tendo aspecto brilhante. Buscou-se ainda o monitoramento do processo por meio da emissão acústica (AE) revelando ser uma técnica adequada para a aplicação neste processo.

PALAVRAS-CHAVE: Lapidação, Retificação, Grau de Recobrimento, Emissão

Acústica. 1 INTRODUÇÃO Com a expansão da indústria mecânica de componentes de precisão, onde as

tolerâncias dimensionais e geométricas são estreitas, tem-se verificado crescente demanda por processos de fabricação capazes de atender esses requisitos. Com isso, os usuais processos de usinagem muitas vezes não se mostram adequados para atender essa demanda. Dentro desse panorama, as indústrias metal-mecânica têm sido obrigadas a investir em novos processos e tecnologia, dentre as quais incluem-se as máquinas-ferramenta capazes de alcançar níveis de acabamento superficial melhores que as máquinas até então disponíveis (Stähli, 1998; Saljé & Paulmann, 1988).

A retificação é o processo de fabricação mais utilizado para correção da forma de componentes usinados por processos anteriores, bem como para conferir acabamento superficial final. Porém, muitos componentes necessitam de acabamento em nível mais fino do que a retificação é capaz de proporcionar. Somado a esse problema estão as peças finas, cujo aquecimento produzido na região de corte pode ocasionar deformações inaceitáveis ou, então, o calor gerado pode afetar as propriedades mecânicas introduzindo transformações microestruturais. Outro problema recorrente às peças finas está relacionado à sua fixação na máquina-ferramenta, podendo deformá-las irremediavelmente (Stähli, 1998; Tomlinson & Newton, 1990; Spur & Sabotka, 1991).


A lapidação, apesar de ser um processo abrasivo de baixa taxa de remoção de material, quando comparada a outros processos tradicionais, elimina muito dos problemas já citados na retificação. No entanto, os problemas da lapidação não residem apenas no longo tempo de usinagem de uma peça, mas também na dificuldade em selecionar o conjunto de parâmetros adequados para satisfazer as especificações da peça, pois o número de variáveis é bastante numeroso. Dentre as variáveis pode-se citar: granulometria do abrasivo; tipo do abrasivo; friabilidade (“fragilidade”) do grão; concentração do abrasivo no veículo; material do disco de lapidação; velocidade do disco; e carga de lapidação, entre outros. Além disso o desperdício de abrasivo em estado ainda útil, expulso do disco de lapidação pela força centrífuga, constitui-se num aspecto negativo, sobretudo quando se utiliza os caros grãos de diamante (Touge & Matsuo, 1996; Chandrasekar et al., 1987a e 1987b).

Uma importante característica do processo de retificação reside na operação de dressagem, ou seja, na reafiação do rebolo quando se verifica uma queda do desempenho do processo. A superfície desgastada do rebolo é removida dando lugar a uma nova camada de grãos abrasivos restabelecendo-se, portanto, as condições de corte.

A dressagem, segundo König & Messer (1980) e Foellinger (1985), é uma operação que influencia fortemente o processo de retificação, dependendo da maneira como é executada, e para seu controle é definido um parâmetro denominado grau de recobrimento (Ud), que é expresso pela relação:

SdbdUd =

onde: bd é a largura de dressagem para um determinado valor de profundidade de dressagem (ad); e Sd é o passo de dressagem, como pode ser visto na representação esquemática da Figura 1, que também mostra a área de dressagem (Asd), o raio de ponta do dressador (rp), a lagura real de atuação do dressador (bdr) e a ondulação teórica (Wt).

Figura 1- Operação de dressagem e o grau de recobrimento (adaptado de Oliveira, 1989).

De um modo geral, observa-se que a dressagem executada com valores de Ud

próximos a 1 ( Sd igual a bd) produz máxima taxa de remoção enquanto Ud entre 4 e 5 dá ao processo de retificação melhor acabamento superficial. Dessa forma, percebe-se que com um mesmo rebolo é possível executar as operações de desbaste e acabamento bastando, para isso, mudar o valor do Ud antes de iniciar cada tipo de operação (Oliveira, 1989).

Ud > 1 Ud = 1 Ud < 1


Ao contrário da retificação, que apesar da sua difícil predição conta com o recurso da dressagem, na lapidação não há nenhum tipo de operação capaz de interferir no processo a fim de modificar as condições de usinagem.

Numa lapidadora, o disco de lapidação é o elemento que serve de substrato ao abrasivo e cujo movimento em relação à peça permite a remoção de material. Além do abrasivo a carga sobre a peça é outro parâmetro essencial na lapidação, cuja intensidade implica diretamente na taxa de remoção de material e no acabamento superficial (Sanchez et al, 1999).

A Figura 2 apresenta uma configuração típica de uma lapidadora plana onde, além dos elementos já citados, pode-se observar um anel armazenador dentro do qual as peças são confinadas e pressionadas por uma carga posta sobre elas. Este anel é sujeitado por um anteparo permitindo o movimento de rotação tanto do anel quanto das peças em seu interior, graças à velocidade tangencial relativa imprimida pelo disco sobre o anel nos diferentes pontos radiais. Pelo fato do anel se manter em contato permanente com o disco, e ser feito de um material mais duro, verifica-se um desgaste gradativo do disco sendo seus possíveis desvios de planicidade corrigidos progressivamente, transferindo às peças esta desejável característica. Em alusão à correção de forma do disco pelo anel armazenador de peças ele também é usualmente denominado “anel dressador”.

Figura 2 – Vista superior (a) e lateral em detalhe (b) de uma lapidadora plana. Uma das características marcantes da lapidação é o movimento relativo entre o disco

de lapidação e a peça, ambos em rotação. Este movimento faz com que os grãos abrasivos em contato com a peça desenvolvam trajetórias complexas e de grande densidade pela superfície usinada. A Figura 3 mostra a trajetória ciclóide descrita por um ponto da peça sobre o disco de lapidação num caso em que a peça e o disco têm os mesmos valores de rotação e sentido (Sanchez et al, 1999).

O grão abrasivo ao longo da trajetória desenvolvida entre o disco de lapidação e a peça pode executar um movimento de rolamento. Neste caso a superfície da peça sofre repetidas deformações microplásticas pelas arestas dos grãos abrasivos levando ao desprendimento de pequenas porções de material. De outra forma, os grãos podem estar ancorados no disco de lapidação, desempenhando efeito similar a um rebolo, resultando no corte de finas camadas de material da peça. A predominância por um dos mecanismos de remoção de material, produzido por rolamento ou embutimento do grão abrasivo, está

Disco de lapidação

anel dressador

carga (peso)

anteparo

peça

(a)

(b)


associado principalmente à dureza do disco de lapidação utilizado. De maneira geral, discos duros promovem o rolamento dos grãos e discos moles e/ou porosos o embutimento com a correspondente formação de superfícies fosca e brilhante (Sanchez et al, 1999).

Figura 3. Exemplo da trajetória descrita por um ponto da peça sobre o disco de

lapidação (Sanchez, 1999). Na última década, nos anos 90, difundiu-se nos EUA e Europa um processo abrasivo

de grãos fixos, no qual as peças e o disco abrasivo produzem movimento relativo análogo ao da lapidação. O disco empregado é composto de pastilhas ou grandes segmentos feitos de CBN (Nitreto de Boro Cúbico) ou, então, de diamante. Este processo industrial, que permite a usinagem de grande número de peças, assume diferentes denominações não estando ainda claramente padronizado. Os fabricantes de máquinas o denominam “fine grinding” (retificação fina) ou “flat honing” (brunimento plano). Na literatura, pode ser tratado por diferentes autores como “fine grinding” (Tönshoff et al, 1998 e Mackensen et al, 1997, Marinescu et al 2006), “flat honing” (Stähli, 2000 e Beyer & Ravenzwaaij, 2005), “face grinding on lapping machine” (Ulhman & Ardelt, 1999) e “high speed lapping” (Yang et al, 2007). Em francês o processo é conhecido por “La Rectirodologie”, que livremente traduzido significa ciência da retificação e lapidação (“rectifier”= retificação, “roder”=lapidação).

Este processo, cujo primeiro registro de sua criação reporta-se ao início dos anos 80 pela extinta empresa alemã de máquinas-ferramenta Hahn & Kolb, traz algumas importantes vantagens em relação à lapidação, com quem originalmente compete, como: peça limpa, uma vez que é livre do veículo de lapidação; reduzido desperdício de abrasivo, já que os grãos são presos ao ligante; e usinagem mais rápida, pois a taxa de remoção é maior. Na usinagem de peças de elevado nível de acabamento superficial são comuns as etapas de usinagem preliminar (na maioria das vezes a retificação), seguido da lapidação e, por último, o polimento. Esse novo processo permite a drástica redução dos tempos de lapidação e polimento ou até suas eliminações. De maneira geral, observa-se nas informações disponibilizadas por fabricantes a possibilidade desse processo usinar peças com planicidade da ordem de 0,3µm a 0,6µm e rugosidade Ra de até 0,025µm (Wolters, 1998).

Pelo fato de se utilizar um disco com material superabrasivo, a reafiação do rebolo é naturalmente feita com o desgaste progressivo do ligante e, assim, o surgimento de novos grãos. Quando necessário, o restabelecimento de forma do disco é feito por um anel dressador, análogo ao da lapidação, mas feito de material cerâmico em sua superfície inferior onde se dá o contato com o disco abrasivo (Beyer & Ravenzwaaij, 2005).

Talvez, por se tratar de um processo derivado da lapidação, criado por tradicionais fabricantes de lapidadoras, não se tem registro da transferência do conceito do grau de


recobrimento (Ud), oriundo da retificação, aplicado a este novo processo com a utilização de disco abrasivo convencional de ligante resinóide. A esta hipótese, somava-se o incipiente estudo do grau de recobrimento (Ud) por König & Messer (1980) na mesma época do surgimento do novo processo.

Também utilizando conceitos estabelecidos na lapidação, surgiram alguns processos abrasivos mais dedicados, particularmente voltados ao acabamento de componentes de equipamentos para gravação de dados digitais (recording head). Em um desses trabalhos, Eda & Tomita (1996) elaboraram discos abrasivos de SiC com ligante composto de resinas PVA, melamine e phenol, que em porcentagens adequadas, 20%, 15%, 5% em peso respectivamente, produzem um disco com características necessárias para a lapidação de substrato de disco magnético. Este tipo de componente, feito de uma liga de alumínio de alta pureza, apresenta problemas de impregnação de finas partículas de abrasivos e rugosidade inadequada (Ra ≈ 0.9 µm) quando lapidado com partículas de SiC de 20 µm de tamanho em disco de ferro fundido. Já o disco abrasivo com o mesmo tamanho de grão é capaz de produzir rugosidade significativamente menor (Ra ≈ 0 ,13 µm) e sem a deletéria impregnação de abrasivos. Com o uso do disco sintético, nota-se que a rugosidade e a taxa de remoção é diretamente proporcional ao tamanho médio do grão abrasivo. O menor abrasivo usado nos testes foi de 3 µm (4000 mesh) correspondendo a uma rugosidade Ra de 0,02 µm e planicidade de 1,3 µm em peças medindo cerca de 130 mm de diâmetro.

Outro trabalho, também empregando a cinemática da lapidação e destinado ao acabamento de cabeçote de leitura de disco rígido, é o processo “nanogrinding”, assim denominado por seus criadores Gatzen, Maetzig e Schwab (1996). Este processo consiste, basicamente, de duas etapas: a criação de um disco abrasivo específico e a usinagem da peça propriamente dita. No primeiro passo, um disco metálico macio mole, feito em alumínio, é submetido à rotação e depositado uma pasta abrasiva de grãos de diamante em sua superfície. Um anel de condicionamento percorre esta superfície impregnando-a com grãos de diamante e nivelando seus picos coplanar à superfície do disco. Nesta técnica, as peças são usinadas primeiro em regime de desbaste. Para isso, utilizam-se grãos de 1,5 a 3 µm e um disco confeccionado com ranhuras radiais por onde migra o excesso de abrasivo. Depois, no regime de acabamento, é empregado um disco sem ranhuras e grãos abrasivos pequenos, de 0,5 a 1 µm, cujo excesso deposita-se nos riscos pertencentes à rugosidade. Aliás, constatou-se que discos muito lisos não produzem bom desempenho, por isso, previamente à sua criação, deve-se lapidá-los com grãos abrasivos de Al2O3 e SiO2

Nos trabalhos envolvendo o processo “nanogrinding”, encontrou-se valores de rugosidade de até Ra = 1,14 nm, obtido em cabeçote de leitura feito em Al

de no máximo 50 µm. Naturalmente, após este condicionamento, se faz necessário uma rigorosa limpeza da superfície do disco para eliminação dos grãos remanescentes que seriam contaminantes na usinagem da peça.

2O3-TiC, e Ra = 0,79 nm em cabeçote feito de SiC (Gatzen e Maetzig, 1997). Quanto aos desvios de planicidade, conseguiu-se o valor mínimo de 6 nm em cabeçote feito de Al2O3

Na direção de entender melhor os mecanismos de remoção na lapidação e explorar mais a sua capacidade, Touge e Matsuo (1996) identificaram que, além da influência dos numerosos parâmetros já conhecidos, a operação de faceamento do disco de lapidação exerce significante efeito sobre o processo. No experimento realizado, em cabeçote magnético de gravação em ferrita (Fe

-TiC (Gatzen, Maetzig e Schwab, 1996). Em peças de grande exigência de acabamento, como esta, o desprendimento de grão abrasivo do disco torna-se um aspecto crítico do processo uma vez que um risco pode comprometer o seu uso.

2O3, Mn e ZnO), uma lapidadora dotada de um dispositivo de faceamento, com ferramenta de ponta de diamante arredondada, corrige a forma e o desgaste do disco metálico macio, feito em Sn. No entanto, observa-se que diferentes avanços


produzem marcas de ondulações (sulcos) na superfície em forma de semi-arcos de diferentes tamanhos de passos, mantendo-se a mesma profundidade de corte. Com o progressivo aumento dos passos, pode-se criar três situações distintas: (a) altura das cristas das marcas de ondulação abaixo da profundidade de corte; (b) altura das cristas igual à profundidade de corte; e (c) sulcos com altura igual à profundidade de corte, mas totalmente separados por áreas planas da superfície do disco. Nestes casos, o número de abrasivos contidos no fluido de lapidação aumenta da primeira situação (a) para a segunda (b), quando a quantidade de grãos soltos é máxima. No terceiro caso (c), os grãos abrasivos também cobrem a região plana entre os sulcos encravando ali. Portanto, tem-se uma situação de lapidação com grãos fixos. Como primeiro resultado, os autores verificaram que a maior taxa de remoção de material ocorre na situação (b) quando a quantidade de grãos abrasivos, de 0,5 a 1 µm, é máxima.

No trabalho de Touge e Matsuo (1996), fez-se um ensaio, dividido em três partes, no qual preparou-se o disco de acordo com o terceiro caso (c). Na primeira parte do ensaio usinou-se apenas com grãos fixados sobre a região plana entre os sulcos. Depois, na segunda parte, adicionaram-se grãos abrasivos soltos, coexistindo com os grãos fixos. E na terceira parte, interrompeu-se a adição de grãos abrasivos.

Os resultados apontaram que, somente com grãos fixos, a taxa de remoção de material foi relativamente baixa e decrescente até o final da primeira etapa. A rugosidade manteve-se em nível praticamente constante, entre 1,4 a 1,5 nm, indicando que houve modesta quantidade de desprendimento de grãos e a maioria dos remanescentes mantiveram sua protusão .

Na etapa intermediária, onde há grãos fixos e soltos juntos, a taxa de remoção mostrou-se 2,7 vezes maior do que na condição de grãos somente fixos indicando, mais uma vez, o forte efeito dos grãos soltos na remoção de material. Na última parte, com a interrupção da alimentação dos grãos abrasivos, nota-se a contínua diminuição da taxa de remoção, quando a rugosidade tende aos valores mais baixos ao final do ensaio. Nesta etapa, os autores creditam este comportamento à gradativa redução do número de grãos de protusão mais alta.

Neste trabalho é proposto um processo abrasivo o qual combina algumas das mais importantes características da lapidação e retificação, bem como investigado sua capacidade no acabamento de peças planas. Da lapidação são tomados os movimentos cinemáticos entre a peça e o disco de trabalho além da transferência de forma do disco para a peça. Da retificação é utilizado um disco abrasivo de características similares aos rebolos e, principalmente, a operação de dressagem para a manutenção do desempenho do processo e da forma plana da superfície do disco abrasivo. Com essa combinação procura-se um processo mais previsível e de maior controle que a lapidação, com equivalente nível de acabamento, sem o inconveniente aquecimento da retificação. Ainda que existam processos bastante específicos parecidos com o proposto neste trabalho, conhecidos com o nome de “flathoning” ou “microgrinding”, eles não contam com sistema de dressagem, segundo o conceito de grau de recobrimento, e nem o utilizam no controle do processo.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

A lápidoretificadora CNC empregada neste trabalho foi projetada e construída no

Laboratório de Tecnologia da Usinagem – LATUS. Dentre os principais elementos da máquina-ferramenta estão um disco de ferro fundido nodular de 350 mm de diâmetro, apoiado por mancais de rolamento e acionado por um motor principal de corrente alternada de 1CV; estrutura de alta rigidez feita de perfis e chapas de aço ABNT 1020 soldados; conjunto aplicador de fluido de corte; 3 drivers e 3 motores de passo; guias lineares e fusos de esferas recirculantes e mancais de rolamento. A velocidade do disco é controlada por meio de um


Conjunto estrutural

Conjunto de rotação do disco abrasivo

Conjunto de movimentação transversal

Conjunto de movimentação longitudinal

Conjunto de fixação

da peça

Conjunto aplicador de fluido de corte

inversor de freqüência e reduzida por um par de polias, sendo a rotação do rebolo de, aproximadamente, de 100 rpm.

A máquina contém um conjunto mecânico para fixação dos corpos-de-prova, constituinte do eixo Z, e outro para o sistema de dressagem, integrante do eixo Y, ambos fixados no mesmo pórtico, que, por sua vez, movimenta-se ao longo do eixo X. O porta-peça é acionado por meio de um eixo flexível conectado ao motor principal. A Figura 4 representa, esquematicamente, os principais conjuntos mecânicos da lápidoretificadora.

Figura 4 – Principais conjuntos mecânicos da lápidoretificadora (Fiocchi, 2009).

O dispositivo de dressagem trata-se, basicamente, de um conjunto mecânico, no qual

é preso o dressador. Este dispositivo permite o ajuste da profundidade de dressagem e principalmente o deslocamento radial do dressador no sentido da periferia para o centro do disco abrasivo segundo uma velocidade correspondente ao grau de recobrimento desejado. O movimento do dressador é feito por meio da rotação de um fuso longitudinal acionado por um motor de passo que é controlado, por sua vez, por um programa computacional de linguagem aberta instalado em um microcomputador. A velocidade de dressagem é calculada por um programa no qual se deve informar o grau de recobrimento (Ud) e a largura de atuação (bd) para uma correspondente profundidade de dressagem (ad). A Figura 5 ilustra a lápidoretificadora destacando-se o reservatório de fluido de corte, o painel elétrico e o painel de acionamento, o microcomputador e o dispositivo porta-peça.

O disco abrasivo empregado, similar a um rebolo, foi especialmente fabricado para esta utilização. Ele é constituído de grãos de carboneto de silício de 800 mesh e ligante resinóide prensados a quente. Seu diâmetro é de 350 mm e espessura de 30 mm.

O dressador usado foi do tipo ponta única, de forma cônica com raio de ponta (rp) de 500 µm e ângulo de ponta de 80°.

Após feita a dressagem do disco abrasivo o corpo-de-prova é pressionado contra o rebolo por uma mola.

Y X

Z

Conjunto de movimentação

transversal

Conjunto de movimentação

longitudinal

conjunto de fixação e

rotação da peça

conjunto aplicador de

fluido de corte

conjunto de rotação do

rebolo conjunto estrutural


O corpo-de-prova, de forma cilíndrica com diâmetro de 47 mm e espessura de 10 mm, é feito de aço ABNT 4340 temperado e revenido alcançando uma dureza média de 60 HRc. Antes de serem utilizados nos ensaios, as faces dos corpos-de-prova foram retificadas para redução dos valores de planicidade e rugosidade.

Figura 7 – Lápidoretificadora CNC (Fiocchi, 2009). Neste trabalho foram avaliados a rugosidade, a taxa de remoção de material e o

desvio de planicidade dos corpos-de-prova para diferentes graus de recobrimento ao longo do tempo de usinagem. O parâmetro de rugosidade medido foi a rugosidade média aritmética (Ra) utilizando um apalpador com raio de ponta de 0,2 µm e “cut-off” de 0,025 mm, a taxa de remoção foi determinada pela pesagem dos corpos-de-prova em balança de leitura milesimal e a planicidade avaliada em um medidor de circularidade/planicidade (Talyround 31 da Taylor Hobson).

Em adição, na busca por uma técnica capaz de permitir o monitoramento do processo proposto fez-se a aquisição de sinais de emissão acústica (EA) durante os ensaios posicionando o sensor junto ao dispositivo de aplicação de carga. Os sinais de EA foram filtrados e seus valores RMS (valor médio quadrático) calculados em um monitor de EA, no qual selecionou-se a constante de tempo de 10 ms. Em ensaios preliminares encontrou-se a pressão de trabalho e a profundidade de dressagem adequadas de 100 kPa e 350 µm, respectivamente.

Nos ensaios preliminares também se observou que os valores de rugosidade dos corpos-de-prova foram menores quando se utilizou fluido de corte. A aplicação foi feita pela técnica da mínima quantidade de fluido de corte (MQF) por um bico tipo venturi numa vazão de 150 ml/h. O fluido de corte empregado foi semi-sintético diluido na de proporção de 1:40.

reservatório de fluido

PC

painel de acionamento

painel elétrico


A Figura 8 mostra a montagem do experimento onde se pode observar o rebolo, o dispositivo porta-peça e o conjunto aplicador de fluido de corte (abundante e MQF).

Figura 8 – Montagem do experimento (Fiocchi, 2009).

Figura 9 – Aspecto da superfície do disco abrasivo dressado com Ud = 1 (a), Ud = 3 (b) e Ud = 5 (c).

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 10 mostra o comportamento da rugosidade dos corpos-de-prova para

diferentes valores de grau de recobrimento ao longo do tempo de usinagem. De maneira geral, pode-se identificar três regiões distintas: uma primeira, até 1 minuto de usinagem, na qual se tem acentuada diminuição da rugosidade; uma segunda, de 1 a 4 minutos, com decréscimo moderado da rugosidade; e a terceira, a partir de 4 minutos de usinagem, na qual se tem muito pouca redução da rugosidade. O grande decréscimo da rugosidade verificado na primeira região pode ser creditado à rápida remoção dos picos mais altos deixados pelo processo de usinagem anterior, a retificação. Na segunda região tem-se a remoção dos picos remanescentes, menos pronunciados, chegando depois à terceira região na qual praticamente não se tem marcas oriundas da retificação.

rebolo porta-peça

aplicadores de fluido de corte

(a) (b) (c)

1 mm 1 mm 1 mm


Pelo comportamento da rugosidade ao longo dos ensaios pode-se inferir que no início da usinagem tem-se uma condição próxima à retificação, na qual a remoção de material se dá pelos grãos abrasivos ancorados na estrutura do rebolo. A medida que a usinagem progride os grãos abrasivos sofrem fratura e desprendem-se interpondo-se entre o disco e a peça participando do mecanismo de remoção de material de maneira similar ao processo de lapidação. Pelas características da terceira região este mecanismo de remoção deve estar presente.

O fato do aumento dos valores de grau de recobrimento produzir diminuição mais rápida dos valores de rugosidade, principalmente nas duas primeiras regiões, pode ser devido a maior densidade de picos gerados nas dressagens correspondentes aos maiores graus de recobrimento.

Mais especificamente, os valores de rugosidade encontrados ao final dos ensaios (8 minutos), foram: Ra = 1,5 nm com Ud = 1, Ra = 1,3 nm com Ud = 5 e Ra = 0,8 nm com Ud = 3.

Figura 10 – Rugosidade (Ra) para diferentes valores de grau de recobrimento. A figura 11 mostra a topografia do corpo-de-prova ao final da usinagem para Ud = 3.

Figura 11 – Superfície após lápidoretificação com Ud = 3.

Tempo de usinagem (min)

Rug

osid

ade

supe

rfic

ial,

Ra

(µm

)


Na Figura 12 pode-se observar o decréscimo da taxa de remoção de material dos corpos-de-prova, para todos os grau de recobrimento, com o tempo de usinagem. Tal comportamento pode ser creditado à combinação da rápida remoção dos picos deixados pela retificação e ao desgaste progressivo do disco abrasivo. No início, nota-se maiores taxas de remoção na usinagem com Ud = 1e as menores com Ud = 5. A maior taxa de remoção para Ud = 1 deve-se a maior agressividade do rebolo nesta condição de dressagem na qual o macroefeito da superfície do disco destaca-se. No entanto, ao final do ensaio constata-se taxas de remoção baixas e próximas para os três grau de recobrimento. Isto sugere que o invariável desgaste do disco abrasivo seja acompanhado da formação de grãos soltos entre o disco e a peça limitando a taxa de remoção de material, mas produzindo menores valores de rugosidade dos corpos-de-prova.

Figura 12 – Taxa de remoção de material para diferentes valores de grau de recobrimento.

O gráfico da Figura 13 apresenta o desvio de planicidade dos corpos-de-prova

retificados, antes dos ensaios, e após a usinagem pelo processo proposto sob três diferentes graus de recobrimento, Ud = 1, Ud = 3 e Ud = 5. Pode-se notar que o desvio de circularidade diminui significativamente após a usinagem com o processo proposto para qualquer dos graus de recobrimento. Tal como ocorre na lapidação plana, este resultado sugere a transferência da forma plana do disco abrasivo, corrigida pela dressagem, para o corpo-de-prova. Mesmo que os três graus de recobrimento produzam desvios de planicidade próximos, Ud = 3 apresenta o menor desvio sugerindo que nesta condição a boa capacidade de remoção de material aliado a regularidade da superfície do disco abrasivo (Figura 9b) gere a combinação mais satisfatória das três. Ainda que Ud = 1 produza a condição de usinagem mais agressiva, de maior taxa de remoção de material, a superfície do disco abrasivo parece mais irregular em virtude de fraturas geradas pela dressagem no local dos picos da ondulação (Figura 9a) ocasionando maior desvio de planicidade nos corpos-de-prova usinados. Ao contrário, a superfície do disco abrasivo tem o aspecto regular na dressagem com Ud = 5 (Figura 9c), tal como para Ud = 3, mas seu macroefeito é pequeno resultando numa menor correção do desvio de planicidade.


Tax

a de

rem

oção

de

mat

eria

l (g/

min

)


Figura 13 – Desvio de planicidade para diferentes graus de recobrimento. A Figura 14 mostra o comportamento do nível RMS da emissão acústica (EA) para

diferentes graus de recobrimento ao longo do tempo de usinagem com o processo proposto. Nota-se, para os três graus de recobrimento, maior nível de EA no início do processo quando a taxa de remoção de material também é maior. A medida que a taxa de remoção, e também a rugosidade, diminui com o tempo a emissão acústica envolvida no processo também diminui. Este fato deve-se ao progressivo surgimento de grãos abrasivos soltos que atuam rolando entre a peça e o disco abrasivo.

Figura 14 – Comportamento da emissão acústica na usinagem com o processo proposto sob diferentes graus de recobrimento.

lápidoretificação retificação

Grau de recobrimento (Ud)

Des

vio

de p

lani

cida

de (µ

m)


Em

issã

o ac

uúst

ica,

EA

(Vm

rs)


Ainda com relação ao gráfico da Figura 14 tem-se menores níveis de EA para maiores valores de grau de recobrimento correspondendo ao comportamento verificado para a rugosidade e a taxa de remoção. Com a estabilização do nível de EA , observa-se que o valor da rugosidade diminui muito pouco, ou seja, a partir deste instante pode-se optar pela interrupção do processo.

A Figura 15 mostra a qualidade especular de uma superfície lápidoretificada (a) e o aspecto fosco de uma superfície manufaturada por retificação convencional.

Figura 15 – Corpos-de-prova usinados por lápidoretificação (a) e retificação

convencional (b). 4 CONCLUSÕES Diante dos resultados obtidos no decorrer da análise dos ensaios, pode-se

concluir objetivamente que: - O processo proposto é capaz de diminuir significativamente a rugosidade e o

desvio de planicidade de corpos-de-prova retificados e produz pequena taxa de remoção; - Diferentes graus de recobrimento produzem taxas de remoção distintas, sendo

Ud = 1 a condição mais agressiva que gera maior taxa de remoção e Ud = 5 a menor taxa de remoção. O Ud = 3 parece produzir a combinação entre o melhor acabamento superficial e a maior taxa de remoção de material, sendo com este Ud, alcançado o menor valor de rugosidade nos ensaios (Ra = 0,8 nm);

- Os sinais de emissão acústica podem ser utilizados no monitoramento do processo proposto sendo possível estabelecer uma relação com a rugosidade e a taxa de remoção;

- O processo de lápidoretificação tem conceito simples quando comparado a outros processos específicos de acabamento superficial, com ajuste das condições de usinagem mais fácil e com menor número de variáveis de entrada.

- Pelas características dos corpos-de-prova usinados este processo pode ser incluído na categoria dos processos especiais para obtenção de acabamento de alta qualidade superficial.


5 REFERÊNCIAS Beyer, P.; Ravenzwaaij, M., 2005, innovative flat honing with vitrified-bond grinding

and conditioning tools, Industrial Diamond Review, n° 4, pp. 47-50. Chandrasekar, S., Shaw, M.C.; Brushan, B., 1987a, Comparasion of grinding and

lapping of ferrites and metals, Journal of Engineering for Industry, v.109, pp. 76-82. Chandrasekar, S., Shaw, M.C.; Brushan, B., 1987b, Morphology of ground and

lapped Surfaces of ferrite and metals, v. 109, pp. 83-86. Foellinger H., Optimum parameters for dressing process of convencional grinding,

in: Proc. Superabrasives’85, April 22-25, Chicago, Illinois, USA, 1985, pp 8-22 to 8-37. Gatzen, H.H.; Maetzig, J.C., 1997, Nanogrinding, Precision Engineering, v. 21, 134-

139. Gatzen, H.H.; Maetzig, J.C., Schwabe, M., 1996, Precision machining of rigid disk

head sliders, IEEE Transactions on Magnetics, 32, 3, 1843-1849. König W.; Messer J., 1980, Dressing conventional grinding whells with

polycrystalline diamond (in German), Industrie-Anzeiger 102, 35-38. Mackensen, V.; Longerich, W.; Dennis, P.; Preising D., 1997, Fine grinding with

diamond and cBN, Industrial Diamond Review, nº 2, pp. 40-43. Marinescu, I.; Inasaki, I. Ulhmann, E., 2007. Handbook of machining with grinding

wheel, CRC Press, 596 p. Oliveira, J.F.G., 1989, Tópicos avançados sobre o processo de retificação, Publicação

048/89 da Escola de Engenharia de São Carlos - USP, São Carlos-SP. Sanchez, L.E.A., Losnak, C.; Perez, F.R.C., 1999, Comportamento da taxa de

remoção e acabamento superficial na lapidação plana sob diferentes parâmetros do processo, XV Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, 10 p.

Saljé, E.; Paulmann, R., 1988, Relations between abrasive process, Annals of the

CIRP, v. 37, pp. 641-648. Spur, G.; Sabotka, J., 1991, Mecanismos de remoção de material no polimento de

cerâmicas, tradução: Revistas Máquinas e Metais, pp. 32-41. Stähli, A.W., 1998, The technique of lapping, Technical Editorial of The A.W.

Stähli, Biene, Switzerland, 35p. Stälhi, A.W., 2000, Flat honing with diamond or cBN discs, Industrial Diamond

Review, 1, pp. 9-13.


Tomita, Y., Eda, H., 1996, A study of the ultra precision grinding process on a magnetic disk substrate – development of new materials for fixed abrasives of grinding stone, Wear, v. 195, 74-80.

Tomlinson, W.J.; Newton, R.C., 1990, Effect of grinding, lapping and various

surface treatments on the strength of silicon nitride, v. 45, pp. 307-310. Tonshoff, H.K.; Egger, R.; Longerich, W.; Preising, D., 1998, Superfinishing

ceramics, Manufacturing Engineering, pp. 52-59. Touge, M.; Matsuo, T., 1996, Removal rate and surface roughness in high-precision

lapping of Mn-Zn ferrite, Annals of the CIRP, v. 45, pp. 307-310. Ulhmann E.; Ardelt T., 1999, Influence of kinematics on the face grinding process on

lapping machines, Annls of the CIRP, v. 48, pp. 281-284. Wolters, P., 1998, Fine grinding can be the answer (fine grinding systems), Tooling

& Production n. 6, pp 45-46.

iii seminário da pós-graduação em engenharia mecânica ... · com a expansão da indústria...

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