6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 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
MONITORAMENTO DA DRESSAGEM PARA OTIMIZAÇÃO DO
PROCESSO DE RETIFICAÇÃO CENTERLESS
Alessandro Rascalha, arascalha@hotmail.com Lincoln Cardoso Brandão, lincoln@ufsj.edu.br Carlos Henrique Lauro, caiquelauro@gmail.com
Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170 – Centro – São João del Rei
Resumo: O processo de retificação é um dos mais importantes na indústria metal-mecânica. Todo componente
industrial que necessita de alto grau de acabamento com excelente qualidade apresenta em uma ou mais regiões superfícies retificadas. Na produção seriada, o processo de retificação centerless é um dos mais aplicados, pois apresenta flexibilidade e rapidez para a fabricação de componentes com alto grau de qualidade. Neste trabalho foi estudado o processo de dressagem de rebolos no processo de retificação centerless de passagem. O material retificado foi o aço C45K com dimensões entre 12,4 mm a 12,425 mm de diâmetro e comprimento de 395 mm. Uma célula de carga foi fixada no sistema de dressagem monitorando os esforços durante o procedimento. Os valores de rugosidade e erro de circularidade foram avaliados baseados no monitoramento durante a dressagem, sendo variada a profundidade de dressagem, avanço do dressador e a rotação do rebolo. Os resultados mostram que profundidade de dressagem é o parâmetro que exerce mais influência na rugosidade da haste e na força de dressagem e que a variação dos parâmetros de dressagem monitorados não influenciou na circularidade da haste.
Palavras-chave: Dressagem, Retificação Centerless, Rugosidade, Circularidade, Força de dressagem.
1. INTRODUÇÃO
As indústrias de autopeças representam um segmento importante dentro do cenário automobilístico mundial. A crescente competitividade requer constantes esforços para viabilizar a lucratividade dos negócios. Os trabalhos referentes à melhoria de processo tornaram-se indispensáveis para melhorar a lucratividade e o fluxo de caixa das empresas. A busca da melhor relação custo/benefício é imprescindível para garantir a participação no mercado. Dentro deste contexto se destaca o processo de retificação centerless (Hafenbraedl e Malkin, 2001).
A retificação é um processo abrasivo com geometria indefinida de elevada complexidade devido ao grande número de variáveis de “set-up” onde é necessário conhecer as forças de retificação provenientes do contato entre a peça e o rebolo (Snoeys e Peters, 1974; Toenshoff et al., 1992). Os esforços durante a retificação resultam de um número de forças individuais entre a aresta cortante do rebolo e a área de contato da peça. O grão do rebolo possui várias arestas de corte e as forças provenientes do contato da aresta de corte do grão e a superfície da peça resulta nas forças normais e tangenciais, sendo que podemos considerar estas forças como forças uniformemente distribuídas (Schulze, 1980). A observação direta das forças normais e tangenciais na retificação é interessante para o comportamento estático e dinâmico da máquina e do processo. Isso ocorre, devido ao fato de atualmente o número de parâmetros envolvidos no processo de retificação ainda é limitado e com poucas bases de referência. Normalmente os fatores conhecidos estão associados com a vida do rebolo, os tempos de ciclos, a qualidade da peça retificada. Entretanto, para demonstrar como esses parâmetros podem ser usados e entendidos na maioria das vezes esses parâmetros sãos estudados isoladamente (Marinescu et al., 2004; Malkin, 1989).
Para obtermos um processo estável de retificação é necessário que uma etapa importante e de grande influência no processo seja executada com precisão. Esta etapa é denominada de dressagem do rebolo. Após a retificação de determinada quantidade de peças, o rebolo requer afiação. Esta necessidade surge devido às incrustações metálicas na face do rebolo.
Este processo confere à peça características dimensionais de alta precisão, como por exemplo, circularidade e acabamento superficial com rugosidade baixa em larga escala produtiva; condições dificilmente obtidas por outros tipos de processo (Novaski e Dörr, 1999). Pode-se considerar de acordo com Souza et al. (2004) o erro geométrico na superfície é afetado por efeitos térmicos e rigidez da máquina ferramenta. Por ser um processo com alto custo de investimento em equipamentos, instalações e mão de obra qualificada, qualquer perda produtiva pode, em alguns casos, inviabilizar a sua utilização.
Devido ao elevado custo do equipamento e da complexidade do processo, a condição ideal de dressagem é bastante representativa quanto à qualidade da peça e à viabilidade econômica do processo. Cada dressagem impossibilita o equipamento de produzir até a conclusão total desta etapa. Esta impossibilidade de produção não disponibiliza o equipamento e gera alto custo de máquina parada. Por este motivo esta etapa importante do processo de retificação centerless necessita de uma definição científica para disponibilizar o equipamento o maior tempo possível para produção. O grande desafio da indústria é como controlar a topografia do rebolo enquanto o processo é executado. Não há ainda este tipo de controle que possibilite com que a indústria consiga analisar a topografia do rebolo enquanto a retificação ocorre (Oliveira et al. 2009).
Alguns pesquisadores apresentaram trabalhos referentes à dressagem do rebolo utilizando a técnica ELID (Electrolytic in-process dressing) que executa a dressagem do rebolo de diamante através de eletrólise que proporciona o desprendimento do ligante dos grãos do rebolo gerando novos grãos com novas arestas de corte. É importante salientar que esta técnica foi utilizada em rebolos de diamante. Normalmente esta etapa do processo é definida de maneira empírica dependendo da experiência e da habilidade do operador do equipamento. Este trabalho apresenta um estudo do monitoramento da dressagem do rebolo de corte para análise dos parâmetros de dressagem em relação à rugosidade e à circularidade da peça. Dentro do contexto de melhoria do processo de retificação centerless, é importante salientar que o processo é normalmente utilizado no final da cadeia produtiva.
Figura 1. Grandezas elementares de uma retificadora centerless (Gonçalves e Miranda, 2007) 2. METODOLOGIA
Três parâmetros foram avaliados como variáveis de entrada: a profundidade de dressagem, o avanço do dressador e a rotação do rebolo de arraste que determina a velocidade de passagem da peça. A interação destas três variáveis resultou em 27 experimentos. Para o monitoramento do procedimento de dressagem foi projetado um dispositivo para adaptação de uma célula de carga na extremidade do suporte do diamante dressador, conforme Fig. (2). Os testes compreenderam a retificação de 5 amostras em cada etapa na fase de acabamento final, ou seja, após o primeiro passe de retificação definido como desbaste que remove 0,25 mm do diâmetro da haste. Para o segundo passe de acabamento o valor corresponde a 0,03 mm de material no diâmetro dos corpos de prova e a especificação da rugosidade é de 1,2 Rz como valor máximo.
Os corpos de prova utilizados foram hastes de aço tipo C45K composto por C=0,45%, Mn=0,50%, Si=0,15%, P=0,045% máximo e S=0,045% máximo e tamanho de grão ferrítico de 5 a 8 – homogêneo (ASTM, 2004). Os corpos de prova foram temperados com dureza de 75 HRA e uma profundidade efetiva de têmpera de 500 HVI na faixa que varia de 0,5 mm a 1,0 mm de camada. O diâmetro de 12,400 mm a 12,425 mm e comprimento de 395 mm+/-0,3 mm completam as especificações dos corpos de prova. Foi utilizado um rugosímetro digital MAHR PERTHOMETER modelo M2 WERK para efetuar a medição da rugosidade e um equipamento tridimensional ZEISS CONDURA G32 para efetuar a medição da circularidade.
A circularidade é uma tolerância de forma definida pela norma ABNT NBR 6409 baseada na norma DIN 620. Esta tolerância indica que a superfície deve situar-se entre dois círculos coaxiais distantes até o limite do valor especificado com eixos coincidentes com o cilindro real. Desta forma o equipamento tridimensional gera o eixo do cilindro ideal a partir de duas seções transversais no método convencional e compara a superfície indicada convertendo estes dados através do módulo de tolerância de forma e posição programada. Ao efetuar a medição é gerado um relatório com o valor da circularidade por amostra. Para aquisição dos dados da força passiva durante a dressagem foi projetado um dispositivo para adaptação da célula de carga HBS C2 com capacidade máxima de 1000 N sendo o mesmo acoplado na extremidade do eixo do conjunto do dressador conforme Fig. (3).
Figura 2. Modelo da célula de carga HBS C2 Figura 3. Conjunto do dressador do rebolo de corte.
A leitura do valor da força passiva foi efetuada através de um indicador de pesagem modelo WT 1000 LED conforme Fig. (3). Os dados obtidos foram comparados entre as três variáveis de entrada para analisarmos a topografia do rebolo quanto à sua influência na rugosidade e na circularidade das hastes. A falta de contato entre o diamante dressador e o rebolo de corte pode ser mostrado com a alteração da força monitorada pela célula de carga. Com esta saída pode-se analisar a uniformidade da topografia do rebolo e sua influência na rugosidade e na circularidade das hastes. Para o estudo estatístico considerou-se o valor de máxima força em todos os experimentos. As três variáveis de entrada estudadas foram a profundidade de dressagem, o avanço do dressador e a rotação do rebolo de arraste. Utilizaram-se três valores repetidos para cada variável. Para efetuar os ensaios foi elaborada uma planilha com todas as combinações entre as três variáveis de entrada e os três respectivos valores utilizados conforme Tab. (1). Para uma análise precisa dos dados o equipamento e o lote de matéria-prima foi mantido constante durante o período de experimentos.
Tabela 1. Valores utilizados nos experimentos
Variáveis de entrada Nível das variáveis de entrada
-1 0 1
Após a finalização dos ensaios efetuou-se a medição dos corpos de prova para analisarmos a influência das variáveis de entrada em relação às variáveis de saída que são a rugosidade e a circularidade da haste. Os valores de rugosidade e circularidade foram plotados na planilha elaborada para parametrização dos ensaios. A partir da obtenção dos valores das variáveis de saída foi iniciado o estudo estatístico através de ANOVA. Foram elaboradas quatro interações para análise de resultados. Todos os ensaios foram realizados no mesmo horário e com o mesmo operador à temperatura ambiente de 27°C.
3. ANÁLISE DOS RESULTADOS
Dessa forma, foi utilizada a análise de variância com 3 níveis e 3 fatores para cada um dos parâmetros de entrada. A Tab. (2) mostra os resultados obtidos de força máxima de acordo com a variação dos parâmetros de entrada. A aquisição dos valores foi constante, entretanto na Tabela (2) estão disponíveis apenas os pontos máximos registrados.
Tabela 2. Valores registrados para força máxima em função da variação dos parâmetros de entrada.
Nome da variável de entrada Nível da variável de entrada
Valor Máximo da variável de entrada
[N]
Rotação do rebolo de arraste
-1 300 0 300 +1 300 Avanço do dressador -1 300 0 285 +1 246 Profundidade de dressagem -1 40 0 130 +1 300
Conforme demonstrado na Tabela (3) podemos observar com 95% de confiança que a variável de entrada profundidade de dressagem interagindo com o avanço do dressador e com a rotação do rebolo influencia na rugosidade da haste. A profundidade de dressagem determina o volume de material removido do rebolo. Conforme analisado no estudo abaixo a profundidade de dressagem influencia na rugosidade interagindo com o avanço e a rotação do rebolo. Assim, torna-se necessário verificar a influência desta variável em relação à força de dressagem obtida através da medição pela célula de carga durante a dressagem.
Tabela 3. Resultado da ANOVA para profundidade de dressagem e n=5
Através da ANOVA Pode-se comprovar uma forte influencia da profundidade de dressagem em relação à força aplicada no dressador. Esta influencia é obtida devido ao volume de material retirado do rebolo. Podemos observar com 95% de confiança que a profundidade de dressagem é diretamente proporcional à força passiva. Quanto maior a profundidade maior a força exercida no diamante dressador. Por se tratar de um processo de remoção onde a força tem grande significância para realizar a dressagem pode-se justificar a influencia acima por este motivo. Pode-se dizer que a profundidade de dressagem é a variável de entrada com maior influência no processo de dressagem. Esta observação pode ser constatada através da comparação da profundidade de dressagem em relação à força passiva demonstrada na Tab. (4). GL MQ F0 FTAB DECISÃO SSA 0,119871 2 0,059936 1,26477 0,05,2,108 3,08 ACEITA SSB 0,03268 2 0,01634 0,344809 0,05,2,108 3,08 ACEITA SSC 0,173364 2 0,086682 1,829182 0,05,2,108 3,08 ACEITA SSAB 0,607609 4 0,151902 3,205465 0,05,4,108 2,46 REJEITA SSBC 0,339022 4 0,084756 1,788525 0,05,4,108 2,46 ACEITA SSAC 0,822311 4 0,205578 4,338135 0,05,4,108 2,46 REJEITA SSABC 0,370916 8 0,046364 0,97839 0,05,8,108 2,03 ACEITA SSERRO 5,11796 108 0,047389
SSAB E SSAC INFLUENCIAM SST 7,583733 134
Legenda:
Tabela 4. Resultado da ANOVA para a profundidade de dressagem em relação à força passiva
GL MQ F0CALC F0TAB DECISÃO
SSTRAT 979,8738 2 489,9369 128,8516 5,143249 REJEITA
SSERRO 22,814 6 3,802333
SST 1002,685
Podemos observar com 95% de confiança que a variável de entrada avanço do dressador não influenciou na força passiva de dressagem demonstrada pela Tab.(5). Esta análise comprova que a profundidade de dressagem é o parâmetro que exerce influência significativa em relação à rugosidade da haste e à força de dressagem.
Tabela 5. Resultado da ANOVA para o avanço de dressagem em relação à força passiva
GL MQ F0CALC F0TAB DECISÃO
SSTRAT 4,850467 2 2,4252335 0,014583 5,143249 ACEITA
SSERRO 997,8347 6 166,305783
SST 1002,685
Para a definição dos parâmetros ótimos de dressagem é necessário analisar a influência das variáveis de entrada estudadas considerando a rugosidade da haste em relação à circularidade dos corpos de prova. Esta análise considera a influência das variáveis de entrada em relação à circularidade da haste. Este estudo está apresentado na Tab. (6).
Tabela 6. Resultado da ANOVA para a circularidade
GL MQ F0CALC F0TAB DECISÃO
SSA 5,89728E-06 2 2,949E-06 0,2055864 0,05,2,54 3,17 ACEITA SSB 2,75143E-05 2 1,376E-05 0,9591823 0,05,2,54 3,17 ACEITA SSC 8,6378E-05 2 4,319E-05 3,0112417 0,05,2,54 3,17 ACEITA SSAB 5,58686E-05 4 1,397E-05 0,973824 0,05,4,54 2,54 ACEITA SSBC 0,000139523 4 3,488E-05 2,4319776 0,05,4,54 2,54 ACEITA SSAC 5,07805E-05 4 1,27E-05 0,8851345 0,05,4,54 2,54 ACEITA SSABC 0,000200027 8 2,5E-05 1,7432946 0,05,8,54 2,12 ACEITA SSERRO 0,0007745 54 1,434E-05 SST 0,001340489 80
De acordo com os dados da Tabela (6) pode-se observar com 95% de confiança que as variáveis de entrada estudadas não influenciam na circularidade da haste. O comportamento da haste em relação à circularidade se manteve estável e uniforme durante a realização dos experimentos. Esta análise considera que todo o experimento foi executado com as mesmas características de estabilidade e uniformidade dos demais parâmetros de retificação. Dessa forma, pode-se afirmar que a variação dos parâmetros não influenciou os erros de circularidade que ficaram dentro dos parâmetros exigidos do produto. A Figura (4) mostra a forte influência da profundidade de dressagem na força de usinagem em relação às outras variáveis de entrada.
A Figura (5) mostra a dispersão da rugosidade em relação à profundidade de dressagem. A profundidade influência na rugosidade e o parâmetro com 0,126 mm mostra a menor dispersão e comportamento mais uniforme do processo de retificação.
Figura 5. Dispersão da Rugosidade 4. CONCLUSÕES
Considerando os resultados obtidos pode-se concluir que:
A profundidade de dressagem ao interagir com o avanço do dressador e a velocidade de passagem é a variável com maior influencia na rugosidade da haste;
A interação da profundidade de dressagem com o dressador determina a uniformidade da topografia do rebolo de corte.
A profundidade de dressagem é diretamente proporcional à força passiva exercida no diamante dressador. Quanto maior a profundidade de dressagem maior é a força exercida no diamante.
Portanto, pode-se afirmar, para este experimento, que por se tratar de um processo de remoção a força é proporcional ao volume de material retirado do rebolo.
As três variáveis estudadas não influenciaram na circularidade das hastes e podemos concluir que todo o experimento foi efetuado mantendo-se as mesmas condições de estabilidade dos demais parâmetros de retificação em todos os ensaios.
O parâmetro ótimo de dressagem pode ser considerado como: profundidade de 0,126 mm e avanço de 124 mm/min.
Este parâmetro também foi o que definiu a maior velocidade de passagem garantindo a maior produtividade do equipamento.
5. REFERÊNCIAS
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Hafenbraedl, D.: Malkin, S. 2001, “Tecnologia ambientalmente correta para retificação cilíndrica interna”. Revista Máquinas e Metais, p. 40-55, julho.
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Snoeys, R., Peters, J., 1974, “The Significance of Chip Thickness in Grinding”, Annals of the CIRP, Vol. 23/2: 227-237 Shulze, R., 1980, Trennschleifen von Hartgestein, Dr. Ing. Dissertation, Univ. Hannover
Toenshoff, H. K., Peters, J., Inasaki, I., Paul, T., 1992, “Modelling and Simulation in Grinding Processes”, Annals of the CIRP, Vol. 41/2: 677-688
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Souza, C.N., Catai, R.E., Aguiar, P.R., Salgado, M.H., Bianchi, E.C., 2004, “Analysis of Diametrical Wear of Grinding Wheel and Roundness Errors in the Machining of Steel VC 131”, Journal of The Brazilian Society of Mechanical Science, Vol. 24, N. 2, pp. 209-212.
Oliveira, J.F.G., Silva, E.J.; Guo, C.; Hashimoto, C. F., 2009, “Industrial challenges in grinding”, Annals of CIRP, v58/2, p. 672 / 673
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ABNT NBR 6409, 1996 “Tolerância de Forma e Posição”.Associação Brasileiras de Normas Técnicas – ABNT, 19 pag.
6. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho.
DRESSING MONITORING FOR CENTERLESS GRINDING PROCESS
OTIMIZATION
Alessandro Rascalha, arascalha@hotmail.com Lincoln Cardoso Brandão, lincoln@ufsj.edu.br Carlos Henrique Lauro, caiquelauro@gmail.com
Federal University of Sao Joao del-Rei, Praça Frei Orlando, 170 – Centro – São João del Rei
Abstract. The grinding process is one of the most important in the machining industry. Industrial components need
high quality with excellent features in one or more surface regions grinded. In lean manufacturing, the centerless grinding process is one of the most widely used in industry due to it offers flexibility and speed to manufacture components with high quality. This study investigated the forces in dressing of grinding wheels in the through-feed centerless grinding. The material was the C45K steel with sizes ranging from 12.4 mm to 12.425 mm in diameter and length of 395 mm. A load cell was used to monitor the dressing efforts during the machine set up. The values of surface roughness and roundness error were evaluated based on data acquisition during the dressing. The input variables were the depth of dressing, the feed of dresser, and the wheel grinding speed. The results showed that the depth of dressing is the parameter that has more influence on the surface roughness of the stem, and in the force of dressing. Finally,the variation of the parameters monitored during the dressing did not influence the roundness of the piston rod.
