Otimização do Processo de Retificação Cilíndrica de Mergulho na Presença de Medidor Radial

Otimização do Processo de Retificação Cilíndrica de Mergulho na Presença de

Medidor Radial

Wanderley Xavier Pereira Amauri Hassui

Anselmo Eduardo Diniz anselmo@fem.unicamp.br

• Resumo: Este trabalho aborda o processo de retificação em uma operação cilíndrica de

mergulho, na presença de medidor radial, que tem a função de estabelecer o momento em que a peça atingiu sua dimensão final. Este equipamento tem sido cada vez mais utilizado no meio industrial, com o fim de se automatizar o processo e garantir maior precisão na peça. Neste tipo de processo é comum se utilizar um ciclo com 3 fases, a primeira fase de desbaste, onde se remove a maior parte do sobremetal a ser retirado com avanço alto e outras duas fases, onde o sobremetal e o avanço se reduzem, para que a deformação elástica do eixo do rebolo e da peça, gerada na primeira fase do ciclo possa ser recuperada e, assim, consiga-se a peça com a qualidade desejada. O principal objetivo deste trabalho é verificar a influência dos avanços de cada uma das três fases do ciclo tanto no tempo de ciclo, quanto na qualidade da peça, no começo e no fim da vida do rebolo. Para atingi-lo diversos ensaios foram realizados retificando-se o aço 4340 com 55 HRc e utilizando-se o rebolo FE38A80K. Entre as conclusões, as principais foram: o avanço da fase 3 tem a maior influência na rugosidade da peça no começo da vida da ferramenta e o avanço da fase 1 é o mais importante para o desgaste do rebolo e, portanto, para o crescimento da rugosidade à medida que o cavaco vai sendo removido.

Palavras-chave: Retificação Cilíndrica de Mergulho, Otimização do Processo, Acabamento

Superficial

1. INTRODUÇÃO

Dentre os principais processos de fabricação, o processo de retificação ocupa um espaço importante na manufatura de peças que tenham exigências quanto ao acabamento e tolerâncias dimensionais e geométricas. O processo de retificação é, na maioria das vezes, a última operação na confecção de uma peça, trazendo com isso tempo e custos agregados, tornando-se uma operação que requer domínio, qualidade e muita atenção.

Apesar do processo de retificação ser largamente utilizado na indústria, este ainda não é dominado como os outros processos de usinagem que possuem a geometria de corte definida (torneamento, fresamento, etc.). Fatores como a multiplicidade das arestas de corte com sua geometria não uniforme, variações de profundidade de corte em cada grão, alta temperatura e esforços de corte que não controlados produzem deformações plásticas dificultam o entendimento e a otimização desse processo.(Oliveira e Purquério, 1989)

Vários pesquisadores buscaram um melhor entendimento do comportamento das variáveis sobre a qualidade da peça. Abrão (1991) pesquisou os gradientes de temperatura na região de contato entre ferramenta e peça visto que a temperatura nesta região pode atingir níveis superiores a

1000ºC. Silva (2000) constatou que para determinadas condições de usinagem o teor de óleo mineral no fluido de corte reduzia a força de corte no sentido tangencial, reduzindo assim a temperatura de corte. Oliveira (1993) estudou a influência do desgaste do rebolo na qualidade superficial da peça. Hahn e Lindsay (1986), Oliveira (1989) e Dedini (2000) pesquisaram os fenômenos relacionados com os esforços corte e deformações envolvidos no processo de retificação. Malkin (1989) apresentou o mecanismo de deformação elástica da peça e do eixo do rebolo envolvido no processo de retificação em função dos esforços inerentes aos processos, fato ainda mais pronunciado na retificação cilíndrica de mergulho. Esta deformação elástica será objeto de estudo neste trabalho.

O processo de retificação cilíndrica de mergulho é largamente utilizado nas indústrias e, como os outros processos retificação, carece de melhor entendimento para a melhoria da qualidade da peça e para a minimização do tempo de ciclo destas operações. A redução do tempo nesta operação é muito desejada, pois em muitas vezes este processo se torna o gargalo em linhas de produção.

Este trabalho analisa os efeitos do avanço do rebolo para um ciclo com três avanços na qualidade da peça, levando também em consideração o tempo da operação. Este ciclo com três avanços é utilizado quando se tem a presença de um medidor radial em tempo real, que é muito utilizado no meio industrial. Sua função é indicar quando a peça atinge seu diâmetro programado para que o rebolo retorne a sua posição inicial. Nesta situação, o ciclo tradicional de um avanço constante, seguido de uma fase de centelhamento, em que o rebolo não tem avanço programado e a deformação elástica obtida no início do ciclo é aliviada (figura 1a), não pode ser utilizado. Isto se deve ao fato de que, se a retração do rebolo for ordenada pelo medidor radial em qualquer ponto da fase de centelhamento, ocorreria dano à qualidade superficial e de forma da peça. Assim é necessário que se divida o avanço em três fases diferentes e decrescentes. (figura 1b), para que o conjunto máquina- peça-rebolo se recupere das deformações nas 2 fases de menor avanço. Neste tipo de ciclo, o medidor radial deve registrar o diâmetro programado da peça na terceira etapa do ciclo, na qual o avanço e o sobremetal são muito pequenos.O medidor radial tem precisão compatível com uma operação de retificação, mas necessita que o avanço seja pequeno no memento em que ele atue, para que não gere imprecisão na peça.

Figura 1: a) Ciclo de retificação tradicional. b) Ciclo com três avanços. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

A máquina utilizada nos ensaios foi uma retificadora cilíndrica Zema Zselics série Compakta G600, dotada de um CNC Fanuc 18 TC. Optou-se por trabalhar com retificação de mergulho, pois além de ser mais simples é a forma mais utilizada na indústria. A dressagem foi feita com um diamante dressador de ponta única. Este diamante apresentou uma largura, bd, igual a 0,7 mm, medida a 0,03 mm da ponta, (dimensão a ser usada como profundidade de dressagem).As condições de dressagem podem ser caracterizadas por um parâmetro denominado grau de recobrimento de

dressagem Ud, Oliveira (1988). Este parâmetro é a razão entre a largura de atuação do dressador (bd) e o passo de dressagem (Sd), conforme a equação (1).

U b s d d d = (1) Utilizou-se um Ud de 5 e como o bd foi de0,7mm o passo de dressagem obtido foi de 0,14 mm. A medição de bd foi feita utilizando-se um microscópio Leica Stereo Zoom 6 Photo, equipado com uma lente de ampliação e uma câmera CCD. A câmera estava acoplada a um microcomputador Pentium 133 MHz equipado com o programa Global Lab Image versão 3.1, que permite o processamento de imagens.

Os ensaios foram realizados utilizando-se um rebolo FE 38 A 80 K V S da Norton Abrasivos, recomendado para afiação e retificação de diversos tipos de materiais. Segundo catálogo do fabricante, este tipo de rebolo apresenta boa manutenção de perfil. O abrasivo é o óxido de alumínio branco (linha FE 38 A), o grão é tamanho 80, a dureza K e a liga é vitrificada (V) com uma modificação (S), que deixa o grão abrasivo mais exposto, gerando menor risco de queima na peça. As dimensões dos rebolos são: 355,6 mm de diâmetro externo inicial, 50,8 mm de largura e 127 mm de diâmetro do furo. A velocidade periférica máxima recomendada para estes tipos de rebolos é 33 m/s. Nos ensaios, a velocidade periférica do rebolo foi constante e igual a 30 m/s. Este valor foi definido pois é menor que a velocidade máxima especificada pelo fabricante do rebolo, além de ser possível atingi-la com a máquina utilizada, sem afastar-se demasiadamente dos valores utilizados nos meios industriais.

Os corpos de provas utilizados eram de aço ABNT 4340 temperados e revenidos. A dureza média conseguida com o tratamento térmico foi de 56 HRC. A figura 2 apresenta um croqui do corpo de prova utilizado.

Figura 2: Corpo de prova utilizado nos ensaios.

As variáveis de processo estudadas foram os avanços por volta do rebolo em cada uma das três fases do ciclo de retificação (figura 1b), buscando analisar os efeitos destas no tempo de ciclo (segundos) e rugosidade superficial (Ra em µm). A tabela 1 apresenta os valores utilizados para estas variáveis e a tabela 2 apresenta a ordem de execução dos ensaios.

Tabela1: Variáveis estudadas e seus níveis (Hassui, 1997; Zema Zselics,1997) Variáveis Nível inferior (-) Nível superior (+) Avanço da fase 1 (mm/volta) 0,007 0,009 Avanço da fase 2 (mm/volta) 0,002 0,0028 Avanço da fase 3 (mm/volta) 0,0004 0,0005

Tabela 2: Ordem de execução com as respectivas condições de usinagem Tratamento f1 f2 f3 Ordem de Execução 5 1 - - - 2 2 - - + 6 3 - + - 7 4 - + + 4 5 + - - 1 6 + - + 8 7 + + - 3 8 + + +

A velocidade da peça vw foi constante e igual a 15 m/min e os sobremetais no diâmetro da peça de cada etapa do ciclo foram: 0,28 mm na primeira etapa, 0,013 mm na segunda e na terceira e ultima foi de 0,007 mm. As dressagens foram efetuadas em 15 passadas com profundidade de 0,03 mm cada passada do dressador. Vale ressaltar que os valores dos sobremetais de cada fase e a velocidade de peça foram selecionados em ensaios preliminares, em função da qualidade das peças retificadas (rugosidade, circularidade e deformação). Também os valores de avanço de cada fase escolhidos e listados na tabela 1, foram resultados de ensaios preliminares.

Cada ensaio consistia na retificação de 66 peças sem proceder à dressagem, analisando a cada cinco peças os valores de rugosidade, circularidade, volume de cavaco removido e tempo de ciclo.A rugosidade da peça foi medida em um rugosímetro Mitutoyo Surftest 211, ajustado com “cut-off” de 0,8 mm e padrão ISO (parâmetros Ra µm). A figura 3 ilustra o processo de retificação cilíndrica de mergulho utilizado nos ensaios.

Figura 3: Esquema do processo de retificação cilíndrica de mergulho. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A primeira etapa deste trabalho foi calcular o tempo de operação envolvido em cada um dos tratamentos selecionados, conforme a ordem de execução apresentada na tabela 4. A tabela 5 apresenta os tempos de ciclo em cada operação, como também o tempo de cada uma das três etapas envolvidas no ciclo de retificação. Desta, verificou-se que a diferença entre a tratamento de maior tempo de operação (quando se utilizou os menores valores de avanço nas três etapas f1-, f2- e f3-) e o menor (com f1+, f2+ e f3+) foi 4 segundos, uma diferença de aproximadamente 30%. A figura 4 organiza os resultados, em função do tempo total de operação para cada condição estudada. Como

o objetivo era encontrar um melhor compromisso entre o tempo de operação e a qualidade da peça em função do volume de cavaco removido, segue-se agora às fases de análise.

Tabela 4: Tempo de cada ciclo em operação de retificação cilíndrica de mergulho. Tratamento T1 (s) T2 (s) T3 (s) Ttotal (s) f1- f2- f 3- 11,058 1,796 4,838 17,693 f1- f2- f3+ 11,058 1,796 3,870 16,726 f1- f2+ f3- 11,058 1,283 4,838 17,180 f1- f2+ f3+ 11,058 1,283 3,870 16,212 f1+ f2- f3- 8,601 1,796 4,838 15,236 f1+ f2- f3+ 8,601 1,796 3,870 14,268 f1+ f2+ f3- 8,601 1,283 4,838 14,723 f1+ f2+ f3+ 8,601 1,283 3,870 13,755

Figura 4: Tempo de operação de cada ensaio (tratamento).

Na primeira fase da análise dos resultados, procurou-se verificar o comportamento da rugosidade no início de vida para respectivas condições. As respostas analisadas foram a rugosidade (Ra) e circularidade peça, mas como a circularidade não aproveitou variação significativa dentro dos níveis de avanços estudados (ficou sempre abaixo de 2,5 µm), optou-se por não apresentar estes dados. Em ensaios preliminares, buscou-se eliminar valores das variáveis (avanço por volta, sobremetal de cada ciclo) que levavam a circularidade para níveis não aceitáveis de qualidade. Desta forma a figura 5 apresenta os valores de rugosidades no início dos ensaios, isto é, quando se tinha um volume de cavaco removido de 500 mm3. Nesta figura observa-se que praticamente a rugosidade segue uma tendência inversa ao tempo de corte. Assim um aumento no avanço médio, ou seja uma redução de tempo, eleva os valores de rugosidade. Houve duas exceções: a primeira foi do tratamento f1-, f2-, f3+, que apresentou um valor bem acima da linha de

tendência. Crê-se que isto foi devido ao fato de que na fase 3, onde se define acabamento superficial da peça, o avanço estava no nível máximo; a segunda, foi o tratamento f1+, f2+, f3- que, mesmo tendo os avanços das fases 1 e 2 em seus níveis máximos, apresentou rugosidade bem menor que a linha de tendência. Crê-se que isto foi devido ao fato de que o avanço da fase 3 estava em seu nível inferior, o que foi suficiente para reduzir de forma pronunciada a rugosidade. Portanto, para efeito de rugosidade no início de vida a fase 3 é fundamental e, para se conseguir bons valores de rugosidade no início da vida do rebolo, é necessário se utilizar avanços baixos nesta fase. Desta forma, se a rugosidade Ra no início de vida e o tempo de ciclo definissem as melhores condições, escolheríamos a condição f1+, f2+, f3-, que apresenta o melhor compromisso entre tempo de corte e rugosidade.

Figura 5: Rugosidade para o início de vida do rebolo em cada tratamento.

Numa segunda fase da análise dos resultados, verificou-se o comportamento da rugosidade Ra ao longo de 66 peças retificada, para reconhecer o comportamento de Ra em função do volume de cavaco removido que depende do estado de afiação do rebolo. A figura 6 mostra este comportamento. Desta figura, percebeu-se que os ensaios que utilizaram o valor de avanço da fase 1 (f1) máximo, foram aqueles em que a rugosidade mais cresceu durante o ensaio, isto é, aqueles onde a condição de afiação do rebolo mais se deteriorou. Conclui-se então que a fase 1 é a mais influencia o desgaste do rebolo. Isto era de se esperar, pois é nesta fase que se remove cerca de 93% de todo o cavaco gerado na operação. Desta fase, concluiu-se que em termos de desgaste de rebolo deve-se usar o valor mínimo de avanço na fase 1. Já os avanços da fase 2 podem ficar em qualquer nível.

Na terceira e última fase analisou-se o valor da rugosidade da peça quando já se havia removido 50000 mm3 _{de cavaco, isto é, quando o rebolo já está próximo de seu momento de dressagem} (figura 7). Conclui-se desta fase que, se as condições f1+, f2-, f3- e f1+, f2-, f3+ forem usadas, a vida do rebolo vai ser bem pequena (dependendo, é lógico do valor de Ra limite) pois apresentaram valores muito altos de rugosidade para o volume de cavaco de 50000 mm3. Como já foi citado, a fase 1 é a que mais influencia as condições do rebolo e, conseqüentemente, o comportamento da rugosidade da peça. Porém, há que se fazer um estudo para concluir se o avanço máximo na primeira fase não deve ser utilizado, já que, embora gere pequena vida do rebolo e, conseqüentemente, maior número de dressagens, gera também menor tempo de corte. Assim, é necessário que se verifique, para um dado lote de peças, o tempo e o custo de fabricação de cada peça, levando-se em conta o ciclo de corte e o ciclo de dressagem. Mas, analisando-se a figura 7, pode-se concluir que se o objetivo for obter-se grande vida do rebolo, deve-se utilizar um dos 3 seguintes conjuntos de avanços, que não apresentaram praticamente nenhuma diferença de

rugosidade com este volume de cavaco removido: f1-, f2-, f3- ou f1-, f2-, f3+ ou ainda f1-, f2+, f3-. Como destes 3 conjuntos o que apresenta menor tempo de corte é aquele com f1-, f2-, f3+, este deve ser o escolhido quando se deseja longa vida do rebolo. Interessante notar que este tratamento, foi o que apresentou rugosidade no início da vida do rebolo (ver figura 5) bem acima da curva de tendência da rugosidade. Isto vem demonstrar que o valor de f3 (único valor máximo deste conjunto de avanços) não tem influência no desgaste do rebolo e no conseqüente crescimento da rugosidade.

Figura 6: Rugosidade em função do volume de cavaco removido.

Figura 7: Rugosidade da peça após 50000 mm3 de cavaco removido em todos os ensaios 4. CONCLUSÕES

Com base nos resultados obtidos em cada etapa, pode-se concluir para operações similares à utilizadas neste trabalho, que:

• a rugosidade no início da vida apresenta tendência inversa ao tempo de ciclo, isto é, quanto menor o tempo de ciclo, maior a rugosidade;

• o avanço da fase 3 do ciclo é predominante no valor da rugosidade da peça, no início da vida do rebolo; e

• o avanço da fase 1 do ciclo é o que mais influencia o desgaste do rebolo e, conseqüentemente, o crescimento da rugosidade;

• quando se desejar vida longa do rebolo deve-se utilizar valor do avanço da fase 1 do ciclo baixo; • o avanço da fase 3, apesar de influenciar bastante o valor da rugosidade no início da vida do rebolo, não influencia seu crescimento e, por isso, pode ser utilizado em seu valor máximo, para diminuir o tempo de ciclo.

5.AGRADECIMENTOS

AGENA.- Na pessoa da Eng.:Márcia Rios – Pela cessão dos fluidos de corte CAPES - Pelo auxílio financeiro

SAINT GOBAIN ABRASIVES – Pela cessão do rebolo 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Abrão, A.M., 1991, “Sistema para Avaliação de Desempenho Térmico de Pares Rebolo-Peça em Retificação”, Dissertação de Mestrado EESC – USP.

Dedini, R., 2000, “Otimização de Ciclo de Retificação Cilíndrica de Mergulho de Virabrequins na Produção”. Dissertação de Mestrado, FEM/UNICAMP

Hassui, A, 1997, “Comparação Sobre a Utilização de Diferentes Sensores no Monitoramento do Processo de Retificação”, Dissertação Mestrado, FEM/UNICAMP

Lindsay, R. P., King, R. I., Hahn, R.S 1986, “Principles of Grinding”. Handbook of Modern Grinding Technology . New York: Chapman and Hall, Chapter 2.

Malkin, S., 1989, “Grinding Technology Theory and Applications of Machining with Abrasives”. Chichester: Ellis Horwood Limited, 275 p

Oliveira, J. F. G.,1988, “Análise da Ação do Macroefeito de Dressagem de Rebolos noDesempenho do Processo de Retificação”. Tese de Doutorado EESC - USP

Oliveira J.F.G., Purquério, b.m., 1989, ”Dressagem Controlada : uma solução para os problemas.”, Máquinas e Metais, n° 283, pp. 58-66.

Silva, E. J., 2000, “Análise da Influência dos Tipos de Fluidos de Corte e Rebolo na Retificação do Aço SAE HVN3”, Dissertação de Mestrado, UNESP Bauru.

Zema Zselics,1997 “Manual de Operação Numérika- CNC Fanuc 18 TC”, Industria de Máquinas Operatrizes Zema Zselics Ltda.

Plunge Grinding Cycle Optimization in the Presence of a Diameter Gauge

Amauri Hassui

Anselmo Eduardo Diniz anselmo@fem.unicamp.br

• Abstract. This work deals with the plunge grinding cylindrical process when the workpiece

diameter is measured is real time, in such a way to establish the moment the workpiece reached its desired dimension. The equipment which carry out this task has been largely used in industries, in order to make the process automatic and to guarantee workpiece precision. In this kind of process is usual to utilize a cycle with three phases: a rough phase, when the majority of the stock is removed with high feed and other two phases, when the stock and feed are reduced,

tp decrease the elastic deformation of the wheel shaft and the workpiece, generated in the first phase of the cycle and, so, to obtain the workpiece with the desired quality. The main goal of this work is to verify the influence of the feed of each of the three cycle phases in both the cycle time and in the quality of the workpiece in the beginning and in the end of wheel life. Aiming this goal several experiments were carried out grinding 4340 steel with 55 HRc using a FE38A80K wheel. Among the conclusions, the most important are: phase 3 feed has the biggest influence on the workpiece surface roughness in the beginning of wheel life and phase 1 feed is the most important for wheel wear and, so, in the growth of durface roughness as chis is being removed.