6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
© Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
DIFERENTES METODOS DE REFRIGERAÇÃO (CONVENCIONAL, MQL,
OTIMIZADA E MQL COM LIMPEZA) NA RETIFICAÇÃO CILÍNDRICA
EXTERNA DE MERGULHO DE CERÂMICAS COM REBOLOS
DIAMANTADOS
Marcos Hiroshi Oikawa, marcos_oikawa@yahoo.com.br1 Eduardo Carlos Bianchi, bianchi@feb.unesp.br1
Rodrigo Santana Destro, rod_destro@hotmail.com1 Rogério Melo Sousa, rogermsousa@gmail.com.1
Rubens Chinali Canarim, rubenscanarim@hotmail.com.1 Rafael Plana Simões, rafael@fc.unesp.br1
Paulo Roberto Aguiar, aguiarpr@feb.unesp.br2
1Universidade Estadual Paulista – UNESP – Departamento de Engenharia Mecânica - Av. Luiz Edmundo Carrijo Coube, 14-01,Vargem Limpa - Caixa Postal 473 CEP: 17033 - 360 - Bauru – SP.
2Universidade Estadual Paulista – UNESP – Departamento de Engenharia Elétrica - Av. Luiz Edmundo Carrijo Coube, 14-01,Vargem Limpa - Caixa Postal 473 CEP: 17033 - 360 - Bauru – SP.
Resumo:As propriedades dos materiais cerâmicos entre elas: capacidade de operação em altas temperaturas, alta
dureza e alta resistência ao desgaste tem sido alguns dos principais motivos para que estes materiais tenham sido usados na indústria nas últimas décadas. Estima-se que este segmento representa aproximadamente 1% do Produto Interno Bruto. Mesmo com todas essas características, o custo agregado ao acabamento da peça ainda é muito alto. Esse acabamento geralmente é feito pelo processo de retificação, único processo economicamente viável que produz superfícies de elevada qualidade e precisão geométrica. Levando em consideração a alta periculosidade e gastos com manutenção e descarte de fluido de corte, as empresas vêm explorando outras técnicas de lubrificação. Esta pesquisa explorou quatro métodos de refrigeração, o convencional o MQL, a refrigeração otimizada e o MQL com limpeza de rebolo, com três avanços de corte para cada caso. Foram analisadas como variáveis de saída a relação G, rugosidade e circularidade. Dos resultados obtidos, pode-se concluir que a refrigeração otimizada é a que apresenta os melhores resultados, sendo esta uma alternativa viável de melhora do processo. O MQL com limpeza de rebolo apresentou resultados comparáveis a refrigeração convencional utilizada atualmente. Considerando a dificuldade de manutenção e altos custos de descarte do fluido de corte, o MQL com limpeza de rebolo se mostra um possível método de lubrificação.
Palavras-chave: alternativas de lubri-refrigeração, retificação cilíndrica externa de mergulho, cerâmicas avançadas
1. INTRODUÇÃO
Segundo Huang et al. (2003), a cerâmica avançada tem sido amplamente utilizada em aplicações industriais na últimas duas décadas. No entanto, seu uso foi sempre associado as suas dificuldades de usinagem e seus custos elevados. Isto é principalmente por causa de sua má usinabilidade.
De acordo com Yang et al. (2003), a retificação é muito importante na cerâmica porque: (1) quase todos os componentes cerâmicos precisam da retificação na aplicação; (2) o custo com retificação ocupa 50-90% do custo total dos componentes cerâmicos; e (3) ao contrário de retificação em metais para qual a rugosidade da superfície e as especificações de tolerância dimensional são muitas vezes suficientes, o processo de retificação tem um efeito significativo sobre as propriedades e desempenho dos materiais cerâmicos.
2. MQL
De acordo com Aoyama et. al (2008), na técnica do MQL (Mínima Quantidade de Lubrificação), uma mistura de uma pequena quantidade de óleo e ar comprimido é fornecida para a superfície de corte através de um bocal ou por um eixo por meio de canal. A técnica do MQL leva altas vantagens na redução do consumo de óleo de corte. No entanto, a técnica MQL tem duas desvantagens em seu uso em comparação a técnica de refrigeração convencional. Uma das desvantagens da técnica do MQL é a reduzida capacidade na remoção do cavaco na zona de corte. Outra razão é que uma parte da névoa de óleo flutua ou mancha as máquinas-ferramentas e o espaço de trabalho. A inalação de névoa de óleo é prejudicial para a saúde. A névoa de óleo segue para o interior da máquina-ferramenta ou o chão de fábrica, e faz, por vezes, o somente adiamento dos problemas de máquina e acidentes. A fim de reduzir a névoa de óleo flutuante, um succionador a vácuo é anexado a cada máquina-ferramenta com um sistema MQL. No entanto, o consumo de energia elétrica resultante destes equipamentos torna-se um dos problemas do ponto de vista da conservação de energia.
3. REFRIGERAÇÃO OTIMIZADA
Segundo Campbell (1995), no processo de retificação em particular existem problemas devido à alta velocidade do rebolo, que cria uma camada limite de ar em torno do rebolo. A camada limite restringe o fluxo de fluido de corte na zona de retificação. Nos métodos convencionais de refrigeração, a refrigeração ocorre por “inundação”, através de um bocal de sapata que é posto tangente ao rebolo. Neste método, não é considerado o fato de o fluido penetrar nesta camada limite e, deste modo, a maioria do fluido de corte é desviado da zona de corte.
Existem vários fatores que afetam diretamente a eficiência da aplicação do fluido de corte, entre eles a velocidade do fluido utilizado, o posicionamento do bocal, o ângulo de abertura do bocal, o projeto do bocal.
De acordo com Guo & Malkin (1992) a aplicação de fluidos de corte é pouco eficiente nos métodos convencionais, especialmente sob condições de aplicação severas, já que a energia armazenada durante a sua aplicação não é suficiente para vencer a força centrífuga do rebolo ou penetrar na barreira de ar que o circunda o mesmo em movimento.
Segundo Webster (1995), a otimização do processo de retificação implica na adoção do tipo mais efetivo de fluido de corte e sua mais adequada forma de aplicação. A qualidade da peça e o custo estão intimamente relacionados com a forma de aplicação do fluido de corte na região de interface rebolo-peça. Um jato de fluido incidindo de forma direta sobre a região de corte é capaz de reduzir de forma significativa a temperatura nessa região, porém altas velocidades do jato de fluido são necessárias para a penetração do fluido de maneira efetiva, na região de corte. Também deve ser levada em consideração a abertura geométrica do bocal na entrada e saída do fluido, bem como as superfícies internas. Se estas forem côncavas, apresentarão um melhor efeito, pois tendem a aproximar as lâminas de fluido que se formam no interior do bocal (isto diminui o efeito de turbulência do fluido de corte). O bocal deve ser projetado de forma a causar a menor ocorrência de turbulência possível durante a saída do fluido.
Ainda segundo pesquisas realizadas por Webster (1995), velocidade com que o fluido penetra na região de corte deve compreender determinado valor, minimizando possíveis impactos fluido/ferramenta durante a penetração do fluido na região de corte. Isto foi verificado quando a velocidade do fluido é igual à velocidade periférica do rebolo. Neste caso, o fluido tende a penetrar na região de corte com a mesma velocidade do grão abrasivo, não havendo assim interferências significativas por parte do fluido durante a remoção de material.
4. MQL COM LIMPEZA DE REBOLO
Ainda durante os ensaios com a técnica do MQL foram constatados que no rebolo se impregnava uma espécie de pasta de óleo e cavaco, que entupia os poros do rebolo. Para resolver este problema, foi então desenvolvido um sistema de limpeza de rebolo com um jato de ar, que eliminava em grande parte a pasta que impregnava na ferramenta de corte. O ar comprimido é uma boa alternativa para este problema, pois além do seu custo de aquisição ser relativamente baixo comparado com todo o processo, é uma alternativa totalmente limpa, atendendo ainda as vantagens de se usar o sistema MQL para o meio ambiente.
Lee et al. (2002) fizeram um trabalho semelhante para retificação de canais em peça, usando um bocal com ar comprimido para retirar as impurezas que aderiam ao rebolo e constatou melhoras significativas com este método. Eles obtiveram melhoras no processo utilizando o jato de ar comprimido comparado com um processo em que não o utilizava.
5. MATERIAIS E MÉTODOS
Nesta secção é descrita os materiais e equipamentos que foram utilizadas nesta pesquisa, assim como os métodos utilizados para a análise dos resultados.
5.1. Equipamentos e materiais
Os corpos de prova consistem de cilindros de uma alumina comercial, composta por 96% de óxido de alumínio e 4% de óxidos fundentes como SiO2, CaO e MgO. A densidade aparente deste material é de 3,7 g/cm3.
O rebolo utilizado foi um rebolo diamantado, pois as peças a serem usinadas são de cerâmica. O rebolo utilizado foi o de liga resinóide, com dimensões de 350 mm (diâmetro externo) x 15 mm (largura) x 5 mm (camada), diâmetro interno de 127 mm, dureza da liga N, concentração 50 e tamanho de grão de 126 mm (D 107 N 115 C50) da empresa Nikkon Ferramentas de Corte LTDA.
O fluido de corte utilizado foi uma emulsão de 5 % em água do óleo semi-sintético ROCOL 4847 Ultracut 370. Neste fluido de corte já existe na sua composição: anticorrosivos, biocidas, fungicidas, alcalinizantes, antiespumantes, alcanolomidas, entre outros. Mesmo assim, o fluido foi complementado com um anti espumante também da ROCOL, de especificação Ultragurd AF(S) e um bactericida.
O equipamento de lubrificação otimizada consiste na utilização do mesmo fluido usado na refrigeração convencional, mas com a utilização de uma bomba mais potente, um medidor de vazão, e um bocal de metal soldado projetado especialmente para este fim. Assim, com este sistema, consegue-se chegar a uma velocidade de saída do jato de fluido de corte igual à velocidade periférica do rebolo, segundo pesquisa realizada por Webster
O equipamento para a aplicação da mínima quantidade de lubrificante é o baseado no principio de pressão, o qual o refrigerante é bombeado através de uma tubulação distinta da do ar comprimido. Somente no bocal este refrigerante é misturado ao fluxo de ar e então direcionado à região de contato peça-ferramenta. O aplicador utilizado nesta pesquisa foi o ITW Accu-lube 79053D de micro-lubrificação, da empresa ITW Chemical Products Ltda. Esse equipamento usa um sistema pulsante de fornecimento do óleo e permite a regulagem da vazão de ar comprimido e lubrificante de maneiras separadas. A vazão de ar comprimido foi monitorada com auxílio de um medidor de vazão do tipo turbina modelo SVTG12/12BA4A44BS fornecido pela empresa CONTECH.
O sistema de limpeza do rebolo é composto por: compressor, linhas de ar, válvula reguladora de pressão e bocal. Através da válvula reguladora de pressão pode-se estabelecer uma pressão constante para o sistema limpeza de rebolo. O bocal foi instalado na proteção do rebolo da máquina de modo ao jato de ar sair em direção perpendicular ao rebolo. A distância entre a saída do bocal e a superfície do rebolo foi de 1 mm.
5.2. Condicões de usinagem
Para cada ensaio foram utilizados 13 corpos de prova.
Para os ensaios foram estabelecidos as seguintes condições de usinagem: velocidade de mergulho (vf) de 1,25
mm/min, velocidade de corte (vs) de 30 m/s, rotação da peça (ωw) de 204 rpm, penetração do rebolo na peça (a) de 0,1
mm, tempo de centelhamento (ts) igual a 5 segundos, largura de retificação de 4 mm, profundidade de dressagem (ad) de
0,02 mm, vazão do fluido de corte na refrigeração convencional de 22 l/min, vazão do fluido de corte no MQL de 100 ml/h, pressão do ar no MQL de 8 bar, velocidade de saída da mistura do MQL de 30 m/s no bocal, velocidade de saída do fluido de corte na refrigeração otimizada 30 m/s, pressão de entrada do ar no sistema de limpeza do rebolo de 8 bar, velocidade de saída do ar no sistema de limpeza do rebolo de 30 m/s.
A espessura equivalente de corte
h
eq é definida na Eq (1):s f w eq
V
V
d
h
.
1000
.
60
.
.
π
=
(1)A espessura equivalente de corte está diretamente relacionada com o comportamento do processo de retificação em função das variáveis envolvidas como: rugosidade, vida da ferramenta etc. Diniz (2003) afirma que um aumento do heq
reflete no respectivo aumento das forças de corte, rugosidade e diminuição da vida do rebolo.
Assim, de acordo com a Eq. (1), a espessura equivalente de corte utilizada nesta pesquisa, denominada apenas por heq, é de heq= 0,118μm.
5.3. Metodologia de análise das variáveis de saída
Os valores de rugosidade foram obtidos para todos os ensaios. Para cada ensaio, a evolução da rugosidade foi obtida com a medição de 5 pontos do ensaio (peças 1, 4, 7, 10 e 13). Para cada peça, 5 medições em posições diferentes foram feitas, a fim de se obter o desvio padrão desta medição. A captação da rugosidade superficial foi obtida através de um dos sistemas mais usados atualmente, o sistema mecânico, através de um rugosímetro Surtronic 3+ da marca Taylor Hobson, que fez a medição direta do parâmetro Ra.
Os valores de erro e circularidade foram obtidos para todos os ensaios. Para cada ensaio, a evolução do erro de circularidade foi obtida com a medição de 5 pontos do ensaio (peças 1, 4, 7, 10 e 13). Para cada peça, 5 medições em posições diferentes foram feitas, a fim de se obter o desvio padrão desta medição. As medições dos desvios de circularidade foram realizadas em uma máquina específica para controle de tolerâncias geométricas Tayrond 31c da marca Taylor Hobson.
de rebolo gasto. O desgaste do rebolo foi possível de ser medido devido a não utilização da largura total do rebolo, onde a largura do rebolo útil era de 15 mm e a largura da peça 4 mm. Desta forma o ressalto produzido no rebolo após o ensaio possibilitou a marcação do desgaste em um corpo de prova de medição. A medição deste ressalto produziu a medida do desgaste do rebolo. Esta medida foi feita utilizando-se um aparelho de deslocamento TESA digital, modelo TT10, com precisão de 1 micrometro.
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os cálculos apresentados são uma média dos valores obtidos para cada ensaio, com seus respectivos desvios padrões.
Para as tabelas de análise de variância, foi-se usado o software Excel com a função ANOVA, retirando-se os principais parâmetros para a análise de variância, feita pelo Teste de Tukey.
6.1. Relação G
A Fig. (1) mostra os resultados da relação G obtidas para os 4 tipos de lubrificação.
Figura 1. Relação G para os 4 tipos de lubrificação
A Tab. (1) mostra a análise de variância da relação G obtidas para os 4 tipos de lubrificação. Tabela 1.Análise de variância para a Relação G pelo teste de Tukey.
d.m.r 23,34 OTM – CONV 57,6 CONV – LIM 26 LIM – MQL 32 há diferença não há diferença
A grande diferença da refrigeração otimizada é pelo fato das melhores condições que ela proporciona: melhores efeitos do lubrificante, melhor remoção do cavaco, melhor dissipação térmica, provocada pelo grande fluxo de fluido de corte com grande velocidade o qual penetra na zona de corte.
Um dos causadores do resultado da técnica do MQL é a menor dissipação térmica da região de corte que faz o ligante perder sua resistência, fazendo o rebolo se desgastar mais. Além disso, há um agravante na técnica do MQL, o qual há a formação de uma “borra” de cavaco com óleo que a força centrífuga do rebolo não consegue eliminar. Ela entope os poros do rebolo e prejudica a sua ação de corte. Esta provoca um desgaste excessivo do rebolo, o que projeta no seu aumento do desgaste, diminuindo relação G para esta técnica como um todo.
Esta borra, já não é tão presente no caso do MQL com Limpeza, o que melhora a sua ação de corte, diminuindo o desgaste excessivo do rebolo o que aumenta a relação G.
6.2. Rugosidade
A Figura (2) mostra os resultados da rugosidade superficial obtidas para os 4 tipos de lubrificação.
Figura 2. Rugosidade para os 4 tipos de lubrificação
A Tab. (2) mostra a análise de variância da rugosidade obtidas para os 4 tipos de lubrificação. Tabela 2. Análise de variância para a rugosidade pelo teste de Tukey.
Entre: /Peca 1 4 7 10 13 d.m.r 1,424426 1,399083 1,050758 3,215353 2,863389 CONV ‐ OTM 0,55 0,32 0,63 0,27 4,25 OTM ‐ LIM 3,79 4,21 3,88 6,57 0,89 LIM ‐ MQL 9,29 1,96 2,15 7,4 5,43 há diferença não há diferença
Analisando os resultados obtidos observa-se de uma maneira geral que os valores de rugosidade foram menores para a refrigeração otimizada e convencional em comparação da técnica do MQL e do MQL com Limpeza, provocada pela melhor dissipação térmica da zona de corte provocada pela refrigeração otimizada e convencional. Nestas duas técnicas, há um maior fluxo de fluido de corte em contato com a peça, o que faz estes métodos de refrigeração serem maiores dissipadores de calor. Já no caso do MQL, há apenas uma névoa de ar misturada com óleo, o que provoca uma dissipação térmica muito menor. Há ainda um agravante da borra de cavaco que é formada, entope os poros do rebolo, e diminui a ação de corte da ferramenta, provocando assim, um aumento drástico nos valores de rugosidade para o MQL.
Pela análise de variância, pode-se notar que em 100% do ensaio a limpeza do rebolo teve um efeito positivo sobre a técnica do MQL sem a limpeza do rebolor.
6.3. Circularidade
A Figura (3) mostra os resultados de circularidade obtidas para os 4 tipos de lubrificação.
Figura 3. Circularidade para os 4 tipos de lubrificação
A Tab. (3) mostra a análise de variância da circularidade obtidas para os 4 tipos de lubrificação. Tabela 3. Análise de variância para a circularidade pelo teste de Tukey.
Entre: /Peca 1 4 7 10 13 d.m.r 1,424426 1,399083 1,050758 3,215353 2,863389 OTM ‐ LIM 0,55 0,32 0,63 0,27 4,25 LIM ‐ CONV 3,79 4,21 3,88 6,57 0,89 CONV ‐ MQL 9,29 1,96 2,15 7,4 5,43 há diferença não há diferença
A técnica MQL com limpeza de rebolo é estatisiticamente melhor que a convencional em 80% dos casos quando comparado a refrigeração convencional.
Estes resultados mostram que o MQL com limpeza de rebolo e a refrigeração otimizada proporcionaram ótimas condições para a usinagem da peça para se obter o menor desvio de circularidade. Isto se deve ao fato do aumento da remoção do cavaco da zona de corte, provocada na refrigeração otimizada pelo aumento da velocidade em que fluido entra na zona de corte e pela limpeza do rebolo onde o fluxo de ar de limpeza limpa o cavaco permaneceste do rebolo, não deixando este entrar em contato com a peça na zona de corte.
7. CONCLUSÃO
Uma análise geral dos resultados indica que a refrigeração otimizada é a que garante melhores resultados, tanto em acabamento da peca, quanto economia de ferramenta de usinagem (rebolo).
Em uma analise estatística, a limpeza colocada na técnica do MQL demonstrou melhorias significativas na técnica do MQL, tanto no acabamento da peça, quanto na economia da ferramenta de usinagem.
Agradecimentos à FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pelos recursos financeiros disponibilizados para esta pesquisa, e pelas bolsas de iniciação científica concedidos.
Agradecimento ao CNPQ (Conselho Nacional de Pesquisa) pelas bolsas de iniciação científica cedidas 9. REFERÊNCIAS
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Webster, J. A., 1995, “Selection of coolant type and application technique in grinding”. Supergrind, University of Connecticut, pp. 205-220.
Yang, H., Gaoa, L., Yuan R, Kimb, K., Youn J., 2003, “Effect of residual stress on the bending strength of ground Al2O3/TiCN ceramics Materials”. Chemistry and PhysicsVol. 80 pp. 305–308
10. DIREITOS AUTORAIS
6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
© Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
DIFFERENT METHODS OF COOLING (CONVENTIONAL, MQL,
OPTIMIZED, MQL WITH GRINDING WHEEL CLEANING) IN
CYLINDRICAL GRINDING IN CERAMICS WITH DIAMOND GRINDING
WHEEL
Marcos Hiroshi Oikawa, marcos_oikawa@yahoo.com.br1 Eduardo Carlos Bianchi, bianchi@feb.unesp.br1
Rodrigo Santana Destro, rod_destro@hotmail.com1 Rogério Melo Sousa, rogermsousa@gmail.com.1
Rubens Chinali Canarim, rubenscanarim@hotmail.com.1 Rafael Plana Simões, rafael@fc.unesp.br1
Paulo Roberto Aguiar, aguiarpr@feb.unesp.br2
1Universidade Estadual Paulista – UNESP – Departamento de Engenharia Mecânica - Av. Luiz Edmundo Carrijo Coube,
14-01,Vargem Limpa - Caixa Postal 473 CEP: 17033 - 360 - Bauru – SP.
2Universidade Estadual Paulista – UNESP – Departamento de Engenharia Elétrica - Av. Luiz Edmundo Carrijo Coube,
14-01,Vargem Limpa - Caixa Postal 473 CEP: 17033 - 360 - Bauru – SP.
Abstract. The properties of ceramic materials including: ability to operate at high temperatures, hardness and high
wear resistance have been some of the main reasons why these materials have been used in industry for decades. It is estimated that this segment represents approximately 1% of GNP (gross national product). Even with all these characteristics, the aggregate cost to the finish process is still very high. This part is usually done by the grinding process, the only viable process that produces high quality surfaces and geometric precision. Considering the high danger and expense of maintenance and disposal of cutting fluid, companies are exploring other techniques for lubrication of the process. This research explored four methods of cooling in grinding, the conventional cooling, MQL, optimized cooling and MQL with grinding wheel cleaning. As output were analyzed the relation G, roughness and circularity errors. From the results, it can be concluded that the optimal cooling shows the best results. The MQL with grinding wheel cleaning presented results comparable to conventional cooling is used today. Considering the difficulty of maintaining and increasing costs of disposal of cutting fluid, MQL with grinding wheel cleaning shows a possible method of lubrication.
Keywords: Alternatives lubrication and cooling, cylindrical grinding diving, advanced ceramics
1. RESPONSIBILITY NOTICE
