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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


Flávio Bonato Pereira




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


DISSERTAÇÃO DE MESTRADO




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


.................................................................................................................................. 71


.................................................................................................................................. 72


.................................................................................................................................. 72


.................................................................................................................................. 73


.................................................................................................................................. 74


.................................................................................................................................. 74


.................................................................................................................................. 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.


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.


Figura 31 – Procedimento de construção do mapa do rebolo no processo

de dressagem.


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.


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.


Figura 34 – Corpo de prova – haste de amortecedor.


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%.


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.


Figura 39 – Detalhe da medição (apalpador e corpo de prova).


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.


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.


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.


Figura 43 – Detalhe do alojamento do sensor de EA.


Guias de saída

Régua de apoio

Sensor

Rebolo de corte

Figura 44 – Detalhe da Montagem dos equipamentos.


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.


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.



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.



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.


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.


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.


Figura 48 – Gráfico do sinal de emissão acústica da amostra 3 no tempo

10 minutos.



15 minutos.



20 minutos.


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.


25 minutos.



30 minutos.



35 minutos.


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.


40 minutos.


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.


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.


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.


Figura 57 – Gráfico do sinal de emissão acústica de várias peças durante

a retificação no tempo 40 minutos.


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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