Lucas Marra Araujo
INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE GRÃOS DE Al2O3 MICROCRISTALINOS SOBRE A FORÇA E TEXTURA NA RETIFICAÇÃO CILÍNDRICA EXTERNA DE MERGULHO
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecâ-nica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner
Coorientadores: Prof. Fabio Antonio Xavier, Dr. Eng.
Adriano Boaron, Dr.Eng.
Florianópolis 2018
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,
através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Araujo, Lucas Marra
INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE GRÃOS DE Al2O3 MICROCRISTALINOS SOBRE A FORÇA E TEXTURA NA RETIFICAÇÃO CILÍNDRICA EXTERNA DE MERGULHO / Lucas Marra Araujo ; orientador, Walter Lindolfo Weingaertner, coorientador, Fabio Antonio Xavier, coorientador, Adriano Boaron, 2018. 101 p. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018. Inclui referências.
1. Engenharia Mecânica. 2. Rebolos convencionais. 3. Sol-Gel. 4. Óxido de alumínio microcristalino. 5. Taxa de retificação específica. I. Weingaertner, Walter Lindolfo. II. Xavier, Fabio Antonio. III. Boaron, Adriano IV. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. V. Título.
Lucas Marra Araujo
INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE GRÃOS DE Al2O3 MICROCRISTALINOS SOBRE A FORÇA E TEXTURA NA RETIFICAÇÃO CILÍNDRICA EXTERNA DE MERGULHO
Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de “Mestre em Engenharia Mecânica”, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
Florianópolis, 8 de Junho de 2018.
__________________________________________ Prof. Jonny Carlos da Silva, Dr. Eng.
Coordenador do Curso
__________________________________________ Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner – Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
__________________________________________ Prof. Fabio Antonio Xavier, Dr.Eng. – Coorientador
Universidade Federal de Santa Catarina
__________________________________________ Adriano Boaron, Dr.Eng. – Coorientador
Universidade Federal de Santa Catarina
Banca Examinadora:
__________________________________________ Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner – Orientador
__________________________________________
Fábio Wagner Pinto, Dr.Sc. Eins Soluções em Engenharia
__________________________________________ Prof. Fernando Antônio Forcellini, Dr.Eng.
Universidade Federal de Santa Catarina
__________________________________________ Prof. Milton Pereira, Dr.Eng.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner, ao Prof. Dr.Eng. Fabio Antonio Xavier e ao Dr.Eng. Adriano Boaron, pela orientação e apoio no desenvolvimento deste trabalho.
Aos colegas do Laboratório de Mecânica de Precisão, Fernando Bordin, Ricardo Knoblauch, Janaína Geisler, Marco Thulio, Santiago Caraguay, Gabriel Pillon, Ricardo Delgado, Jurandir Marcos, Francisco Ratusznei, Jordan Borinelli e Guilherme Paquelin, pela amizade e pelos conselhos durante esta trajetória.
À empresa Tecnotêmpera Tratamentos Térmicos e ao Centro Universitário de Brusque (UNIFEBE), pelo assessoramento técnico e prestação de serviços.
À Universidade Federal de Santa Catarina, em especial ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, pela oportunidade de realização do mestrado.
À CAPES, pelo financiamento através da concessão de uma bolsa de estudos.
Aos meus pais Osvaldo e Maria Elizabeth e à minha irmã Isabela, pelo incentivo e apoio emocional durante meus estudos.
RESUMO
O óxido de alumínio microcristalino como grão abrasivo, obtido pelo processo Sol-Gel, foi desenvolvido na década de 60 e aprimorado até os anos atuais. A capacidade de corte destes grãos abrasivos ainda não é totalmente conhecida. A presença de abrasivos de Al2O3 microcristalinos
na estrutura de um rebolo proporciona uma capacidade de remoção de material mais elevada, especialmente para taxas de retificação elevadas. As características e as saídas do processo apresentadas na literatura, como força de retificação e textura de superfície, respectivamente, são conflitantes. Os abrasivos de Al2O3 microcristalinos são mais caros do
que o óxido de alumínio eletrofundido. Devido a isto, a composição dos rebolos convencionais apresenta uma mistura otimizada composta por grãos eletrofundidos e microcristalinos. Para avaliar a influência da concentração dos rebolos que contém grãos de Al2O3 microcristalinos na
proporção de 15, 30 e 45% sobre o processo de retificação cilíndrica externa de mergulho, foram feitas medições de força e de texturas dos componentes. Os ensaios de retificação foram conduzidos em condições de desbaste, onde aplicações destes abrasivos são recomendadas. Com exceção da taxa de retificação específica (Q'w), todos os demais
parâmetros de entrada foram mantidos constantes. Os resultados do processo mostraram que, ao aumentar a concentração de grãos Al2O3
microcristalinos, a força de retificação foi mais baixa, resultado mais evidente para taxas de retificação maiores. A análise da textura da superfície retificada mostrou uma diferença significativa entre os acabamentos obtidos para os rebolos com diferentes composições e diferentes taxas de retificação, o que significa que o mecanismo de desgaste dos rebolos é influenciado pela adição de grãos Al2O3
microcristalinos. O desempenho do rebolo com adição de 30% de grãos de Al2O3 microcristalinos apresentou resultados aos do rebolo com adição
de 45%. O rebolo com concentração de 15% mostrou menor capacidade de remoção e força de retificação mais acentuada. Estes resultados demonstram que há influência dos grãos microcristalinos sobre o processo de retificação e suas vantagens sobre os eletrofundidos.
Palavras-chave: Rebolos convencionais, Sol-Gel, Óxido de alumínio microcristalino, Taxa de retificação específica.
ABSTRACT
The microcrystalline aluminum oxide, obtained by the Sol-Gel process, was developed in the 60's and has been improved until the current years. The cutting capacity of these abrasive grains is not completely known yet. The presence of microcrystalline Al2O3 abrasives in the grinding wheel structure provides a higher G ratio, especially at high material removal rates. The characteristics and process outputs presented in the literature, such as grinding forces and surface texture, respectively, are conflicting. Microcrystalline Al2O3 abrasives are much more expensive than the electrofused aluminum oxide. Due to this fact, the conventional grinding wheels present an optimized blend composed of eletrofused and microcrystalline grains. In order to evaluate the influence of these wheels concentration containing microcrystalline Al2O3 grains in the proportion of 15, 30 and 45% on the external cylindrical plunge grinding process, force and workpiece texture measurements were carried out. The grinding tests were conducted under roughing conditions, where applications of these abrasives are recommended. Except for the specific material removal rate (Q'w), all input parameters were kept constant. The process results showed that, an increase of the microcrystalline Al2O3 grains concentration, the grinding force was lower, a more evident result at higher grinding rates. Additional to that, texture analysis of the ground surface showed a significant difference between the finishes obtained for the grinding wheels with different compositions and different material removal rates, which means that the wear mechanism of the grinding wheels is influenced by the addition of microcrystalline Al2O3 grains. The grinding wheel performance with addition of 30% of microcrystalline Al2O3 grains presented equal results as the 45% added grinding wheel. The 15% concentration grinding wheel showed lower material removal capacity and higher grinding force. These results demonstrate that microcrystalline grains influence the grinding process and its advantages over the eletrofused.
Keywords: Conventional grinding wheels, Sol-Gel, Microcrystalline aluminium oxide, Specific material removal rate.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT ASTM ASME CN Co. DIN FFT GmbH GRÃO ISO KG LMP LMPT MC-Al2O3 MEV MLR UFSC UNIFEBE
Associação Brasileira de Normas Técnicas American Society for Testing and Materials American Society of Mechanical Engineers Comando Numérico
Company
Deutsches Institut für Normung Fast Fourier Transform
Gesellschaft mit beschränkter Haftung Grupo de Retificação e Abrasivos
International Organization for Standardization Kommanditgesellschaft
Laboratório de Mecânica de Precisão Laboratório de Meios Poros e Propriedades Termofísicas
Óxido de Alumínio Microcristalino Microscopia Eletrônica de Varredura Meio Lubrirrefrigerante
Universidade Federal de Santa Catarina Centro Universitário de Brusque
LISTA DE SÍMBOLOS Alfabeto latino: ae [mm] Penetração de trabalho bs,eff ds dw ln ndin nsup nw q qd vfr vs vw F’t F’n FR Fsup Ft Fw [mm] [mm] [mm] [mm] [min-1] [min-1] [min-1] [ - ] [ - ] [mm/s] [m/s] [m/min] [N/mm] [N/mm] [N] [N] [N] [N]
Largura efetiva do rebolo Diâmetro do componente Diâmetro do componente Comprimento de avaliação Rotação do dinamômetro Rotação do suporte Rotação do componente Relação de velocidades
Relação de velocidades de dressamento Velocidade de avanço
Velocidade periférica do rebolo Velocidade periférica do componente Força tangencial específica
Força normal específica Força resultante Força peso do suporte Força tangencial
Fx Fy Fz Mz N Q Q’w Ra Rsk RSm Rz Rλa Rλq RΔa RΔq Sa Sdr Ssk Svi [kN] [kN] [kN] [N.m] [ - ] [l/min] [mm³/mm.s] [µm] [ - ] [µm] [µm] [µm] [µm] [ - ] [ - ] [µm] [%] [ - ] [ - ] Força na direção X Força na direção Y Força na direção Z Momento torsor em Z Número de amostragens
Vazão do meio lubrirrefrigerante Taxa de retificação específica Desvio médio aritmético do perfil Assimetria entre picos e vales do perfil Espaçamento entre picos
Média de alturas máximas do perfil Média do comprimento de onda do perfil Raiz quadrada da média do comprimento de onda do perfil
Curvatura média dos picos do perfil
Raiz quadrada da curvatura média dos picos do perfil
Desvio médio aritmético de área Razão da área interfacial desenvolvida Assimetria entre picos e vales da área Índice de retenção de fluido
SΔa Ud V’w [ - ] [-] [mm³/mm]
Curvatura média dos picos da área Grau de recobrimento de dressamento Volume específico removido
Alfabeto grego: λc λs µ Δr [mm] [µm] [ - ] [µm] Comprimento de amostragem Filtro de comprimento de onda curta Relação de forças
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 17
2 REVISÃO DA LITERATURA ... 21
2.1 Processo de retificação ... 21
2.1.1 Retificação cilíndrica externa de mergulho ... 22
2.2 Rebolos ... 23
2.3 Abrasivos de óxido de alumínio ... 25
2.3.1 Fabricação dos grãos de óxido de alumínio eletrofundido branco ... 25
2.3.2 Fabricação dos grãos de óxido de alumínio microcristalino 26 2.3.3 Comparação entre as características dos grãos de óxido de alumínio eletrofundido e microcristalino. ... 27
2.3.4 Concentração de grãos microcristalinos no rebolo ... 31
2.3.5 Aplicações ... 34
2.4 Textura da superfície ... 35
2.5 Transdutores e sistemas de medições de força de usinagem ... 39
3 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA ... 41
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 43
4.1 Retificadora ... 43
4.2 Especificação e caracterização dos rebolos ... 44
4.3 Sistema de dressamento ... 46
4.4 Componente ... 48
4.5 Meio lubrirrefrigenrante (MLR) ... 49
4.6 Sistema de medição de componentes da força ... 50
4.6.1 Montagem e método de medição de forças ... 51
4.7 Sistema de medição óptico ... 52
4.8 Sistema de medição mecânica ... 53
5 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL ... 55
5.1 Escolha dos rebolos ... 55
5.2 Processo de retificação ... 56
5.3 Avaliação da topografia do componente retificado ... 59
6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 63
6.1 Componentes da força de retificação para a taxa de retificação de 4 mm³/mm.s ... 63
6.2 Componentes da força de retificação para a taxa de retificação de 6 mm³/mm.s ... 66
6.3 Textura em 3D da superfície retificada ... 70
7 CONCLUSÔES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS
FUTUROS ... 87
7.1 Conclusões ... 87
7.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 89
REFERÊNCIAS ... 91
APÊNDICE A – MEDIÇÕES DE MICROTOMOGRAFIA ... 95
APÊNDICE B – AVALIAÇÃO DAS COMPONENTES DA FORÇA DE RETIFICAÇÃO...97
APÊNDICE C – DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS DE TEXTURA ...101
1 INTRODUÇÃO
A partir dos desenvolvimentos na retificação, como as modifica-ções na estrutura dos rebolos, nos materiais e nas geometrias de abrasivos, entre outros, é factível garantir qualidade dimensional e de superfície das peças fabricadas, juntamente com o aumento da eficiência do processo [1]. Estes aspectos estão intrinsecamente conectados uns aos outros. Estas modificações visam atender um volume de fabricação cada vez maior em menor tempo, bem como o processamento de materiais com baixa usina-bilidade. A investigação dos efeitos causados por estas alterações é de suma importância para o entendimento dos mecanismos de remoção e de desgaste envolvidos, e assim permitir o contínuo desenvolvimento do pro-cesso.
Segundo o Departamento de Pesquisa Geológica dos Estados Uni-dos, a produção mundial em 2015 de abrasivos convencionais (Al2O3 e SiC) está em torno de 2,3 milhões de toneladas, sendo este o maior grupo de abrasivos manufaturados. Em contrapartida, os superabrasivos (cBN, diamantes sintéticos e naturais) dispõem de uma produção de pouco mais de 12 mil toneladas anuais [2]. Apesar dos grãos superabrasivos se desta-carem no cenário industrial em aplicações específicas, rebolos constituí-dos destes têm custo elevado (apesar de conter grãos apenas na periferia da ferramenta) e pouca flexibilidade de condicionamento em relação aos convencionais, além de, no caso do diamante, ter afinidade química com os metais ferrosos, o que leva a um desgaste acelerado da ferramenta. O uso de ferramentas constituídas por cBN requer máquinas-ferramenta com capacidade de operar em condições de maior velocidade periférica e maiores taxas de retificação para assegurar resultados economicamente viáveis [3, 4]. A lacuna entre as características mecânicas dos grãos con-vencionais e de grãos superabrasivos concedeu espaço para o desenvolvi-mento de novos materiais abrasivos que satisfaçam as exigências entre as características dos grãos convencionais e dos superabrasivos [5, 6, 7].
Os desenvolvimentos na área de abrasivos, principalmente empre-gando a tecnologia de fabricação Sol-Gel, levaram aos grãos de Al2O3 microcristalinos, onde obtém-se um material com propriedades mecâni-cas diferenciadas, sobretudo com relação à tenacidade à fratura. O em-prego destes abrasivos permite obter resultados de trabalho que não são atingidos com os abrasivos de Al2O3 convencionais, e a um custo inferior em comparação aos superabrasivos. Porém, muitas vezes os resultados gerados pelo uso destes abrasivos não são compreendidos em sua pleni-tude [8].
Para mostrar um panorama geral sobre as publicações relacionadas com o estudo de grãos de Al2O3 microcristalinos, foi realizado por meio das bases de dados Scopus e Web of Science um levantamento bibliográfico com o intuito de explicitar o volume de publicações em inglês nos últimos 30 anos. Os resultados são apresentados na Figura 1.1 e contemplam especificamente a área de retificação com rebolos que possuem na sua estrutura grãos microcristalinos fabricados pelo processo Sol-Gel.
Para a busca dos artigos foram utilizadas os termos “Seeded Gel”, ou “Sol-Gel”, ou “Microcrystalline Aluminum Oxide” para representar o abrasivo, juntamente com o termo “Grinding” para representar o processo. Apesar de ser uma tecnologia desenvolvida na década de 60, o interesse pela temática começou a surgir somente no final da década de 80, e apenas nos últimos anos houve um aumento significativo, proporcional ao interesse da indústria, porém relativamente baixo em relação às publicações relacionadas aos processos que utilizam grãos convencionais e superabrasivos.
Figura 1.1 - Número de artigos publicados em inglês com a temática abordada desde 1988 até meados de 2018.
Dentre as publicações encontradas, são poucos os autores que se dedicaram a estudar as características e os resultados do processo para tentar compreeder como o conjunto máquina-rebolo se comporta durante o corte com estes abrasivos. Além disso, grande parte das publicações disponíveis fazem o uso de cinemáticas de retificação cilíndrica interna. Este fato faz com que haja uma carência de informações de processos que
possuem outras cinemáticas, até mesmo com maior difusão na indústria, como no caso da retificação plana e a cilíndrica externa.
O presente trabalho foi desenvolvido no Grupo de Retificação e Abrasivos (GRÃO) do Laboratório de Mecânica de Precisão em parceria com a empresa fabricante dos rebolos (Krebs & Ridel Schleifscheibefa-brik GmbH & Co. KG), e com o Institut für Werkzeugmaschinen und Fa-brikbetrieb (IWF) da Universidade Técnica de Berlim.
O trabalho busca contribuir com a literatura avaliando o compor-tamento da força de retificação e da textura da superfície retificada com o aumento do volume removido específico na retificação cilíndrica externa de mergulho, em função da variação de três concentrações distintas de grãos microcristalinos.
2 REVISÃO DA LITERATURA 2.1 Processo de retificação
Dentre os processos de remoção abrasiva de material, no âmbito da fabricação de componentes mecânicos, a retificação destaca-se pelo seu vasto emprego na indústria. A retificação tem como característica ge-rar qualidades de superfície, de integridade, de forma e de dimensão que não são atingidas nos processos de usinagem convencionais com ferra-mentas de corte de geometria definida [8, 9]. Outra característica presente no processo é a sua estabilidade, que culmina em um comportamento es-tável entre variáveis e resposta, onde os resultados podem ser previsíveis e rigorosamente correlacionados com os parâmetros de entrada, o que possibilita a interpretação dos mesmos com maior clareza. Segundo Klocke [8], os parâmetros de retificação são divididos em parâmetros de entrada, de processo e resultados, como detalhado na Figura 2.1.
Figura 2.1– Parâmetros, características e resultado de trabalho no processo de retificação. Adaptado de [8].
Os parâmetros de entrada são divididos entre o sistema e as variá-veis. O sistema é composto pelas características da máquina-ferramenta, da peça, do rebolo, do sistema dressador e do meio lubrirrefrigerante. Já as variáveis são compostas pelos parâmetros de corte, e pelas condições de dressamento e de lubrirrefrigeração.
As características de processo como temperatura, força, comporta-mento da ferramenta e emissão acústica, auxiliam significativamente na interpretação dos resultados, e são adquiridas por meio de medições du-rante o processo de retificação. Estas características impactam substan-cialmente no resultado de trabalho.
Os resultados são obtidos considerando aspectos metrológicos e metalúrgicos do componente fabricado, desgastes da ferramenta e mudan-ças nas propriedades do meio lubrirrefrigerante, além de avaliar indicati-vos de custos e produtividade do processo.
2.1.1 Retificação cilíndrica externa de mergulho
O emprego da retificação cilíndrica é mais comum em peças com geometrias radialmente simétricas. O modo de fixação das peças separa o processo em três subdivisões (centerless, fixação em placas ou pinças e fixação entre pontas) [8]. A Figura 2.2 mostra esquematicamente a retifi-cação entre pontas, na qual as peças são fixas entre duas pontas, sendo uma delas retrátil para proporcionar a retirada da peça. Com a peça mon-tada entre pontas, a ferramenta abrasiva rotativa mergulha radialmente contra o componente.
Figura 2.2 – Retificação entre pontas. Disposição dos componentes em uma reti-ficadora cilíndrica externa. Adaptado de [8].
A cilindricidade obtida na retificação cilíndrica externa de mergu-lho é função da velocidade de mergumergu-lho com que a peça é retificada. Para que a cilindricidade atinja os valores de tolerâncias apertadas requeridas em projeto, o movimento de avanço deve ser ajustado no final do per-curso, normalmente com uma velocidade de avanço final nula. Esta
redução final da velocidade de avanço é denominada de fim de faisca-mento (nome decorrente da observação da diminuição do faiscafaisca-mento no final do processo). Além de melhorar a cilindricidade em decorrência da diminuição da taxa de retificação no final do processo, também é reduzida a rugosidade e a influência térmica sobre a camada limite [8].
Para que a remoção de material na retificação periférica cilíndrica de mergulho ocorra de forma simétrica, os movimentos de rotação do re-bolo e da peça são necessários. A velocidade periférica do rere-bolo (vs) e da peça (vw) são definidas em função das características do rebolo, da peça e em função do resultado de trabalho desejado. Os sentidos dos vetores de velocidade periférica do rebolo e da peça podem ser concordantes ou dis-cordantes, dependendo da aplicação. Outro movimento essencial para a conclusão do processo é o movimento de mergulho do rebolo, influenci-ada pela taxa de remoção específica (Q’w) (equação 2.1) [10]. A taxa de retificação define a velocidade de avanço do rebolo, que decorre da rota-ção da peça e da penetrarota-ção de trabalho.
𝑄 = 𝜋 ∙ 𝑑 ∙ 𝑣 . (2.1) onde:
𝑑 = diâmetro da peça [mm]; 𝑣 = velocidade de avanço [mm/s].
2.2 Rebolos
Os rebolos são compostos basicamente por três fases: os grãos abrasivos, responsáveis pela remoção do material da peça; os poros, para armazenamento do material retificado e para o transporte de meios lubrir-refrigerantes; e o ligante, com a função de ligar os grãos entre si e reter os grãos no rebolo [11].
Os rebolos são distinguidos por seus materiais abrasivos e classifi-cados como convencionais (óxido de alumínio e carboneto de silício) e superabrasivos (nitreto de boro cúbico e diamante). Nos rebolos de ligan-tes vitrificados, os poros estão distribuídos uniformemente na estrutura do rebolo, decorrente dos processos de fabricação. Para se obter uma maior resistência mecânica, os rebolos com ligantes metálicos sinterizados e re-sinoides (aplicados aos superabrasivos) são fabricados sem porosidade. A protusão dos grãos deve ser obtida durante o processo de
condicionamento do rebolo [11]. A composição volumétrica de rebolos, considerando os volumes das três fases constituintes, apresenta variação entre os rebolos convencionais e os superabrasivos, Figura 2.3. No grá-fico, são identificadas as regiões de composição volumétrica de grãos, poros e ligante das ferramentas, enfatizando a diferenças de característi-cas entre os rebolos convencionais.
Figura 2.3 – (a) Imagem de MEV de uma estrutura de rebolo vitrificado. (b) Vo-lume das fases dos rebolos vitrificados. Adaptado de [8].
Durante o processo de retificação, carregamentos mecânicos, tér-micos e quítér-micos atuam sobre o rebolo. Os resultados destes carregamen-tos são os micro degastes, que se referem ao desgaste dos grãos (fratura ou achatamento), à fratura do ligante e ao arracamento do grão para fora da estrutura do rebolo [8].
Com estes carregamentos sobre os grãos, esforços sobre os mes-mos atingem um valor limite de resistência, fazendo com que frature, cri-ando novos gumes. O mesmo fenômeno de fratura ocorre sobre o ligante. A medida em que a taxa de retificação é aumentada, os valores limites são atingidos mais cedo e os micro desgastes aumentam sua frequência. Este aumento da taxa de retificação faz com que o macro desgaste, que se re-fere à deterioração da macro geometria (perfil, dimensão), torne-se mais significativo. Na utilização de rebolos convencionais com taxas de retifi-cação elevadas, predomina-se os mecanismos de macro desgastes, e para taxas menores, os mecanismos de micro desgastes [8,11, 12].
2.3 Abrasivos de óxido de alumínio
O óxido de alumínio é o material abrasivo mais utilizado nos pro-cessos de geometria não-definida, incluindo a retificação, devido à abun-dância de matéria-prima. Sua produção anual é de cerca de 2,3 milhões de toneladas considerando todos os tipos de grãos de Al2O3, os quais são classificados pelas suas colorações decorrente da presença de outros ele-mentos como óxido de cromo (Cr2O3), óxido de zircônio (ZrO2), entre outros. O óxido de alumínio branco, também conhecido como eletrofun-dido branco, é o que apresenta maior pureza (>99% de Al2O3) dentre os abrasivos de Al2O3 comumente utilizados. O óxido de alumínio micro-cristalino, apesar de fazer o uso da mesma matéria prima (bauxita), ne-cessita de um processo especial de fabricação (Sol-Gel), responsável pe-las suas características únicas [13].
A seguir são apresentados os métodos de fabricação e as respecti-vas diferenças características entre os grãos eletrofundidos branco e o grão microcristalino.
2.3.1 Fabricação dos grãos de óxido de alumínio eletrofundido branco O óxido de alumínio eletrofundido é obtido pelo processo de ele-trofusão, como apresenta a Figura 2.4.
Figura 2.4 - Processo de fabricação do grão eletrofundido [13]. Parte-se da bauxita purificada pelo processo Bayer, seguido de um processo de fusão em forno de arco elétrico. Neste processo, um arco elétrico é gerado entre dois ou três eletrodos (monofásico ou trifásico), atingindo temperaturas da ordem de 2000°C, imediatamente acima da re-gião de fusão da bauxita purificada. A bauxita purificada é adicionada continuadamente, de forma granular, e o arco elétrico garante a fusão ape-nas da região imediatamente abaixo dele. Coque (ou carvão), ferro, e
aditivos são adicionados para induzir a remoção de impurezas. A região não fundida serve como isolante térmico para o recipiente de aço. Para uma produção econômica, os blocos eletrofundidos de óxido de alumínio pesam até 20 toneladas. Após um resfriamento inicial de três a quatro dias ainda na forma de aço, o bloco incandescente é despejado no ambiente e deixado a resfriar por mais uma semana. Na sequência, o bloco é que-brado em pedaços de 5 a 20 kg e se procede uma seleção manual de qua-lidade. O núcleo apresenta a melhor qualidade e é translúcido, enquanto a periferia é acinzentada [13]. Na sequência, o óxido de alumínio é moído e selecionado segundo os tamanhos preestabelecidos. Os tamanhos dos cristais são dependentes da taxa de resfriamento do bloco [14].
2.3.2 Fabricação dos grãos de óxido de alumínio microcristalino O óxido de alumínio microcristalino é obtido a partir do processo Sol-Gel, Figura 2.5.
Figura 2.5 - Esquema do processo Sol-Gel. Adaptado de [12].
A bauxita purificada pelo processo Bayer, é transformada em Boehmita pelo processo Ziegler. A boehmita se transforma em uma solu-ção (Sol), quando misturada com água. Os agentes modificadores são adi-cionados como os inibidores de crescimento dos grãos (TiO2, MgO, ZrO2 e outros) ou agentes nucleadores (Al2O3, Fe2O3). O ácido nítrico é adici-onado na maioria dos casos para a estabilização do processo. Com a boeh-mita homogeneamente distribuída, a adição de ácidos diluídos é necessá-ria para a transformação da fase de solução para um líquido gelatinoso (Gel). Esta nova fase é seca após um processo de aquecimento com tem-peraturas atingindo 100 oC e resulta em um corpo frágil. A transformação
da boehmita em óxido de alumínio é finalizada pelo processo de calcina-ção, que encerra o processo Sol-Gel. Uma sinterização sem pressão, ape-nas com temperatura, é responsável pela união dos grãos obtidos por pre-cipitação química [13].
2.3.3 Comparação entre as características dos grãos de óxido de alu-mínio eletrofundido e microcristalino.
Em busca de preencher a lacuna entres as propriedades dos abrasi-vos convencionais e dos superabrasiabrasi-vos, foi desenvolvido o óxido de alu-mínio microcristalino (MC-Al2O3), com premissa de proporcionar maio-res taxas de remoção do que os convencionais e menor custo ferramental em relação aos superabrasivos (até 30 vezes menor) [1].
Os grãos de MC-Al2O3 são caracterizados por dureza e forma si-milares aos grãos de Al2O3 eletrofundidos brancos, entretanto, com duc-tilidade e homogeneidade superiores aos mesmos, o que proporciona aos grãos boa tenacidade à fratura frágil. A Tabela 1 mostra as características dos grãos de Al2O3 eletrofundidos brancos, dos MC-Al2O3 e dos de cBN.
O diferencial do MC-Al2O3 é seu mecanismo de lascamento, pois sua fabricação é realizada a partir da sinterização de micro grãos com di-mensões entre 0,5 e 3 μm. Assim, as fraturas não dependem mais do plano de clivagem como nos grãos de óxido de alumínio eletrofundidos, mas da interface de sinterização dos micro grãos [8, 15]. No caso do grão eletro-fundido, com o aumento da força atuante sobre o grão, ocorrem lascamen-tos de partes maiores devido à propagação das fraturas segundo os planos de clivagem, enquanto que no grão microcristalino a propagação de trin-cas se dá nas suas interfaces de sinterização entre os micro grãos, fazendo com que os grãos mantenham suas formas por mais tempo. A Figura 2.6 apresenta os modos de lascamento presentes nos dois tipos de grãos men-cionados. Verifica-se na Figura que os grãos MC-Al2O3 têm a predomi-nância de micro desgaste com carregamentos térmicos ou mecânicos, e uma frequência maior de renovação dos gumes dentro do grão. Estas ca-racterísticas permitem que o processo de retificação consiga menores des-gastes radiais de rebolos e maiores taxas de retificação [16-18].
Tabela 2.1 – Composição e propriedades do Óxido de Alumínio Eletrofundido, Sol-Gel, cBN. Adaptado de [1].
Figura 2.6 - Mecanismos de desgaste dos grãos eletrofundidos (acima) e micro-cristalino (abaixo). Adaptado de [1].
Lindsay [19] estabeleceu a relação G (relação entre o volume de material removido e o volume desgastado do rebolo) para rebolos com composições de grãos MC-Al2O3 em ensaios entre desgaste radial como função da taxa de retificação, Figura 2.7. A relação G mostrou ser maior para os grãos MC-Al2O3 em comparação com a relação G obtida com os grãos convencionais na retificação de aços endurecidos, com um aumento de relação G de 5 até 17,5 vezes, dependendo das taxas de retificação. Em outro trabalho, Jackson, Mark e Mills [20] observaram comportamento semelhante na utilização de rebolos com grãos de Al2O3 eletrofundidos e com diversas concentrações de grãos MC-Al2O3. Os resultados mostra-ram que a relação G para o rebolo com os grãos microcristalinos foi su-perior, ainda mais para um aumento da taxa de retificação, na retificação cilíndrica de mergulho do aço ABNT 52100.
A literatura mostra que o melhor rendimento de rebolos contendo grãos MC-Al2O3 é obtido quando se trabalha com taxas de retificação e
Achatamento dos grãos Desgaste abrasivo ligante Lascamento do grão grão poro Arranque completo dos grãos
poro ligante achatamento do grão Desgaste abrasivo grão Microlascamento dos grãos deformação plástica e esfoliação do grão Desgaste por fadiga térmica e mecânica
Mecanismo de desgaste de grãos com estruturas monocristalinas (e.g. Al O eletrofundido)2 3
Mecanismo de desgaste de grãos com estruturas microcristalinas (e.g. Al O microcristalino)2 3 a)
velocidades de corte elevadas em relação às condições de corte emprega-das com os rebolos compostos apenas por grãos eletrofundidos [7].
Segundo Badger [21], existe uma taxa de retificação ótima para cada concentração de grãos MC-Al2O3, na qual apresenta-se o efeito de autoafiação do rebolo, pois se a taxa empregada for abaixo da faixa de taxas ótimas, os grãos tendem ao achatamento, e se for maior, geram o arrancamento dos grãos e a quebra do ligante.
Além dos resultados mencionados, os rebolos que têm na sua com-posição grãos MC-Al2O3 podem ter os tempos de intervalo entre condici-onamento estendidos em até 80%. [1].
Figura 2.7 - Comportamento da relação G com o aumento da taxa de retificação Q'w para rebolos compostos apenas grãos de Al2O3 (38 A 60) e com 60% de MC-Al2O3 (SG 60). Adaptado de [19].
Fathallah et al. [22] estudaram os mecanismos de desgaste de rebolos contendo grãos MC-Al2O3 em comparação a rebolos
compos-tos apenas por grãos de Al2O3 eletrofundidos para os mesmos
parâme-tros entrada. A Figura 2.8 mostra diferentes resultados das análises dos mecanismos de fratura nos grãos eletrofundidos e microcristalinos. Como pode ser observado, nos grãos eletrofundidos a fratura é for-mada por depressões (formato de conchas) relativamente grandes, ao passo que nos grãos microcristalinos a fratura obedece uma irregula-ridade propiciada pela falta de continuidade nos contornos dos micro grãos.
Figura 2.8 – Fratura de grãos abrasivos: (a) Al2O3 eletrofundido, (b) Al2O3 Sol-Gel. Adaptado de [22]
O condicionamento dos rebolos com MC-Al2O3 é procedido da mesma forma que no condicionamento de rebolos com grãos de Al2O3 eletrofundidos convencionais. Assim, há poucas objeções para os proces-sos de condicionamento (dressamento e limpeza) se for comparado com os rebolos com grãos superabrasivos. Cinar apud [11] verificou que a força normal de dressamento é superior e proporcional à concentração de Al2O3 Sol-Gel em comparação a rebolos com somente Al2O3 eletrofun-dido.
A lubrirrefrigeração não exige adaptações complementares das máquinas-ferramenta ao empregar rebolos contendo grãos MC-Al2O3, pois obedece aos mesmos requisitos exigidos pelo emprego de rebolos contendo grãos de Al2O3 [8].
2.3.4 Concentração de grãos microcristalinos no rebolo
No início do emprego de grãos MC-Al2O3 na fabricação de rebo-los, os rebolos eram integralmente fabricados com grãos microcristalinos. Porém, devido à sua resistência à fratura elevada e ao aumento do número de gumes ativos, a força de corte aumentava significativamente, inviabi-lizando o processo. Desenvolvimentos posteriores iniciaram uma tendên-cia de empregar misturas com outros tipos de grãos de óxido de alumínio para equilibrar as características de desgaste dos grãos e reduzir custos de processo [8].
Entretanto, existe divergência de informações quando se trata da força de retificação. A literatura supracitada [8] mostra que, com uma maior concentração de MC-Al2O3, há um aumento das componentes da força de retificação, tanto para a componente tangencial como para a nor-mal. Porém, Lindsay [19] apresenta em seus resultados (Figura 2.9) que a presença dos mesmos grãos leva à uma redução de forças em compara-ção aos grãos eletrofundidos nas mesmas condições de processo. A
mesma tendência de redução também é explicitada por Mayer et al [18]. Mayer et al. mostraram que as diferenças entre as magnitudes das forças são estritamente correlatas à taxas de retificação empregadas.
Figura 2.9 - Força tangencial na retificação empregando rebolos com 60% de grãos MC-Al2O3 (MC-60)e Al2O3 eletrofundidos (38 A 60). Adaptado de [19].
Baseado nos trabalhos de Klocke et. al. [23] e Mayer et. al. [18], a capacidade de corte dos grãos MC-Al2O3 também está estritamente co-nectada às propriedades tribológicas da zona de contato entre o abrasivo e o componente. Sobre a influência de temperatura e de tensões decorren-tes do processo, o abrasivo microcristalino sofre deformação plástica e desgaste abrasivo, que cria zona de contato plana. Com a alta energia e as reações químicas inerentes ao processo, estas zonas são propícias para a formação de uma tribocamada de óxido de ferro (FeO), que tem como característica proporcionar menores coeficientes de atrito. A Figura 2.10 mostra esquematicamente a tribocamada resultante da retificação com grãos MC-Al2O3.
Figura 2.10 - Ilustração esquemática da estrutura da superfície do grão microcris-talino. Adaptado de [18].
A espessura de corte e as cargas sobre os grãos, dependentes prin-cipalmente da taxa de retificação, influenciam fortemente o comporta-mento de desgaste radial de rebolos com grãos MC-Al2O3 durante o pro-cesso, como pode ser visualizado na Figura 2.11.
Figura 2.11 - Desgaste radial do rebolo variando a concentração de grãosMC-Al2O3. Adaptado de [5].
Com base na Figura 2.11, pode-se afirmar que com o aumento na taxa de retificação há um aumento do desgaste radial dos rebolos. Com o aumento da concentração de grãos MC-Al2O3,verifica-se uma redução significativa dos desgastes radiais dos rebolos para as mesmas taxas de
retificação. Entretanto, para rebolos com concentração de 100% de MC-Al2O3, o comportamento de desgaste radial é distinto. Para a taxa de reti-ficação Q’w de 1 mm³/mm.s, o desgaste do rebolo com 100% de grãos microcristalinos é mais elevado que para o rebolo com 30%. Aumen-tando-se a taxa de retificação para 4 mm³/mm.s, o desgaste radial do re-bolo com 100% diminui para valores abaixo dos obtidos para concentra-ções de grãos microcristalinos de 30 e 50% e depois volta a subir. Isto mostra que para os rebolos contendo apenas grãos MC-Al2O3, os meca-nismos de desgaste são distintos dos encontrados em rebolos compostos com misturas de grãos. A razão para tal fenômeno não é apresentada pelo autor [5].
Por motivos econômicos a indústria normalmente adota rebolos com concentração entre 30 e 50% de grãos MC-Al2O3. Se for comparado com rebolos convencionais, os desgastes radiais se mostraram satisfató-rios com a utilização destas misturas de grãos eletrofundidos e microcris-talinos [5].
2.3.5 Aplicações
As ferramentas abrasivas compostas de MC-Al2O3 são utilizadas nos processos de retificação de aços para engrenagens cementadas e tem-peradas, aços-ferramenta, aços para rolamentos e superligas de níquel (e.g. Inconel, Incoloy, entre outras). Estas ferramentas são empregadas onde há a necessidade de processos de usinagem de precisão aliados à otimização da produção, tanto em relação a tempos quanto a custos. Estes processos incluem, entre outros, retificação externa, retificação center-less, e também retificação de alto desempenho (High performance grin-ding). Seu uso é bastante flexível, podendo ser empregado em usinagem a seco (em condições de retificação específicas) ou com lubrirrefrigeran-tes, em materiais ferrosos e não-ferrosos dentro de um intervalo de dureza de 30 até 67 HRC [1]. As aplicações mais notórias e recorrentes dos grãos MC-Al2O3 são dadas na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 - Áreas de aplicação dos grãos de óxido de alumínio microcristalino como abrasivos. Adaptado de [1].
Abrangência de aplicação Materiais
Rebolo (maioria com ligante cerâmico) Aços não-ligados
Fita abrasiva Aços ligados
Aço não-revenidos
Retificação Aço revenidos até 67 HRC
Retificação centreless Aço-rápido
Retificação plana Ferro fundido
Retificação de perfil Metais não-ferrosos
Retificação de roscas Madeira
Retificação de ferramentas Poliméricos
Retificação de engrenagens
Retificação com fitas abrasivas
2.4 Textura da superfície obtida por retificação
Uma parte considerável da energia utilizada em sistemas mecâni-cos corresponde à superação das forças de atrito (estático ou dinâmico), que agem no sentido contrário do movimento que gera trabalho [24,25]. Tendo isto em vista, a retificação tem a função de fabricar componentes com forma, dimensão e rugosidade que permitem um desempenho funci-onal superior ao longo do tempo de vida do componente [9]. Entretanto, quando especificamente da geração da superfície, há alguns fatores ine-rentes ao processo de retificação que influenciam negativamente a quali-dade da textura produzida. Os fatores impactantes são concernidos ao grão (i.e. geometria, distribuição, desgaste e fratura) e aos parâmetros de entrada, principalmente à penetração de trabalho (ae) e condicionamento do rebolo. Quanto maior for a penetração de trabalho do rebolo e a capa-cidade dos seus grãos em remover material, mais acentuados serão os va-lores de amplitude de rugosidade (e.g. Ra, Rt). Outros fatores que influen-ciam são aqueles que modificam a geometria do grão através do desgaste e fratura (vs, Q’w), e aqueles que alteram a capacidade de corte do mesmo, como no caso do uso de meios lubrirrefrigerantes [26, 27].
O desgaste do rebolo, acompanhado através do volume específico removido (V’w), também é um fator a ser ressaltado no comportamento da rugosidade durante o processo. No início do processo de retificação, logo após o dressamento do rebolo, a seção de usinagem é maior (para graus de recobrimento que proporcionam maior rugosidade ao rebolo) e o número de gumes cinemáticos é menor em comparação com o rebolo durante a operação. Assim, há uma mudança no comportamento do pro-cesso e nos resultados com o aumento de volume removido, em decorrên-cia da constante modificação da topografia da ferramenta. Estas mudan-ças impactam os resultados de rugosidade, que reduz ou aumenta, em fun-ção da taxa de retificafun-ção e dos parâmetros de dressamento empregados [8], como é mostrado na Figura 2.12.
Figura 2.12 - Influência do condicionamento e dos parâmetros de retificação na topografia do rebolo e rugosidade do componente. Adaptado de [8].
É notado na literatura [25, 27] uma correlação entre os parâmetros de rugosidade e a resistência à fadiga. Isto porque os vales “agudos” pro-duzidos após o processo de retificação atuam como concentradores de tensão na superfície, que facilitam a nucleação de trincas. O quadro 2.1 contém os parâmetros topográficos que apresentam uma correlação para prever o comportamento do componente para tal critério. Estes parâme-tros também são utilizados em caracterizações de superfície mais abran-gentes.
Quadro 2.1 - Parâmetros para avaliação do efeito da textura sobre a resistência à fadiga. Adaptado de [25].
Segundo Jiang e Whitehouse [29], a superfície gerada pela retifi-cação tem um fator de estocacidade, que rege todas as características ine-rentes ao perfil de rugosidade e anisotropia de ranhuras propiciadas pelo processo. Uma superfície estocástica é caracterizada pela aleatoriedade restringida por limites pertencentes ao processo. A retificação gera uma superfície aleatória com relação à periodicidade, porém dentro de uma distribuição esperada de picos e vales. A amplitude de distribuição de ma-terial no perfil de rugosidade é representada por uma curva Gaussiana, que culminaria em valores de Rsk de aproximadamente zero [30], con-forme representadas na Figura 2.13.
Figura 2.13 - Características das superfícies retificadas. Adaptado de [29, 30, 32] Anisotropia da superfície é outra característica pertinente às super-fícies retificadas. Esta define a direcionalidade das ranhuras (Std), ou a falta dela (isotropia), que tem função tribológica e estrutural, pois con-forme as direções dos esforços aplicados no material, as ranhuras podem facilitar a iniciação de trincas por fadiga [31]. As ranhuras de retificação geralmente têm uma direcionalidade bem estabelecida, uma das caracte-rísticas de resultados proeminentes do processo [32].
Outro fator que faz com que os resultados de rugosidade variem significativamente é a presença de grãos MC-Al2O3 nos rebolos. De acordo com Mayer et. al. [18], os valores de rugosidade Rz mostraram-se bastante distintos para taxas de retificação entre 5 e 20 mm³/mm.s. Rebo-los que possuíam maiores concentrações dos grãos microcristalinos resul-taram em menores valores de Rz nos componentes, porém não há um com-portamento previsível dos valores, como apresentado na Figura 2.14. O
parâmetro de rugosidade Rz é calculado da média de 5 valores da profun-didade da rugosidade ao longo do comprimento de medição.
Figura 2.14 - Comportamento do parâmetro de rugosidade Rz em função da taxa de retificação e da concentração de grãos microcristalinos. Adaptado de [18].
Em seu trabalho, Fathallah et al. [22] observaram que os parâme-tros de rugosidade Ra e Rt permaneciam semelhantes com o aumento da penetração de trabalho no intervalo de 0,002 a 0,04 mm. Porém, a partir de uma penetração de 0,04 mm, onde o desgaste por microfraturas (MC-Al2O3) possibilita a autoafiação intensa dos gumes, houve um aumento significativo da rugosidade Rt devido ao desgaste platafórmico sofrido pelo rebolo de Al2O3 eletrofundido, Figura 2.15. Entretanto, a estabili-dade do processo com rebolos de grãos microcristalinos, em termos de danos à superfície, se mostrou superior para maiores penetrações (0,012 – 0.020 mm).
Figura 2.15 - Valores de Rt empregando diferentes penetrações de trabalho. Adap-tado de [22].
2.5 Transdutores e sistemas de medições de força de usinagem Técnicas de medição para monitoramento de processos de fabrica-ção têm sido tradicionalmente dividas em duas categorias: diretas e indi-retas. Medições diretas geralmente avaliam as variáveis quantitativa-mente, como por exemplo, força de usinagem. Este tipo de medição é lar-gamente empregado por ter uma exatidão maior em relação aos métodos indiretos. As indiretas avaliam as variáveis por meio de medição de vari-áveis secundárias, sendo bastante úteis para aplicações em pesquisa e am-bientes industriais. Um exemplo de medição indireta seria a avaliação do desgaste da ferramenta por meio do monitoramento das forças de usina-gem envolvidas do processo.
Operações de corte requerem uma força para deformar e remover material de um componente. Estudos envolvendo monitoramento da força de corte para validação de modelos, detecção de desgaste de ferramenta e análise do consumo energético vêm sendo desenvolvidos extensivamente por pesquisadores. A preferência pelo monitoramento por meio da medi-ção da força é decorrente da sensibilidade e resposta rápida dos sinais de forças fornecidos pelos transdutores de força. Os valores da força de pro-cesso e suas componentes podem fornecer dados para medições indiretas de outras grandezas, como desgaste do rebolo, consumo energético e entre outros [33].
Para monitorar a força e o torque geralmente aplicam-se transdu-tores que convertem esforços de deformação elástica em um sinal elétrico correspondente. No início dos anos 50, as deformações que ocorriam de-vido à rigidez do sistema empregavam extensômetros com diversos prin-cípios de funcionamento e eram extensamente utilizados para medições de forças em processos de usinagem. Como na retificação os esforços de corte são pequenos em comparação aos obtidos na usinagem com ferra-menta de corte de geometria definida, os transdutores eram adequados para medir a força de retificação, porém causavam uma redução da rigidez do sistema. Com o desenvolvimento de transdutores piezelétricos muito mais rígidos foi possível manter a sensibilidade requerida. Atualmente são aplicados amplamente em pesquisas e controle de processos.
A medição piezelétrica se baseia na polarização de um cristal de quartzo com cargas proporcionais ao carregamento mecânico. Medições diretas com transdutores piezelétricos são possíveis quando a montagem está alinhada com os respectivos esforços, como no caso dos dinamôme-tros rotativos capazes de obter informações de torque e de forças em três componentes também estão disponíveis. Neste tipo de equipamento as in-formações são transmitidas por telemetria ou por condutores.
Um sistema piezelétrico para a medição de esforços de longa du-ração necessita de um amplificador de cargas para transformar as cargas elétricas vindas dos transdutores em uma tensão proporcional à carga elé-trica para análise posterior [34]. Alguns dinamômetros rotativos podem operar em rotações entre 10.000 e 20.000 rotações por minuto, com fácil integração na máquina-ferramenta, sendo utilizado tanto em processos de usinagem com ferramentas de geometria definida como em processos abrasivos [35].
3 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
Apesar do processo de retificação estar bem estabelecido na indús-tria, este vem passando por mudanças significativas no decorrer dos últi-mos anos, sempre em busca da redução de custos, tempos, e do aumento da qualidade do componente produzido. Dentro destas mudanças, o apri-moramento dos rebolos por meio da utilização de abrasivos com caracte-rísticas peculiares, como no caso do MC-Al2O3, é bastante presente tanto nomeio científico-acadêmico quanto no meio industrial.
Os grãos de MC-Al2O3 apresentam um potencial para aplicações onde deseja-se avolumar a produção por meio do aumento da taxa de re-tificação, sem a necessidade de adaptações na máquina-ferramenta, pois seus parâmetros de entrada são da mesma ordem de grandeza do que os dos rebolos convencionais. Assim, só é preciso dispender recursos com a ferramenta composta com uma mistura de grãos eletrofundidos e micro-cristalinos.
Embora seja citado que o emprego dos grãos de MC-Al2O3 apre-sente diversas vantagens, o comportamento de suas características no pro-cesso ainda não é muito bem definido, principalmente quando se trata da força de retificação. Há autores [8, 13] que afirmam terem observado um aumento nas componentes da força de retificação (tanto Ft como Fn) com o aumento na concentração de grãos MC-Al2O3, e outros que explicitam que o comportamento é inverso [5, 19]. A textura da superfície do com-ponente é outra variável de saída relevante pouco explorada na literatura.
O principal objetivo deste trabalho é avaliar como as concentrações de grãos de MC-Al2O3 (15, 30 e 45%) influenciam a força de retificação e a textura do componente retificado com o aumento do volume removido na retificação cilíndrica externa de mergulho. O trabalho também visa:
a) Avaliar o comportamento das componentes normal e tangen-cial da força de retificação com o incremento do volume re-movido específico para cada rebolo com diferentes concentra-ções;
b) Correlacionar o comportamento da relação de forças (µ) du-rante o processo com os mecanismos de fratura e fenômenos tribológicos inerentes aos grãos microcristalinos;
c) Verificar a influência dos mecanismos de fratura dos grãos so-bre a superfície retificada a partir dos resultados de parâmetros de textura (2D e 3D);
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo apresenta os principais aparatos e métodos experi-mentais responsáveis para a aquisição de dados durante processo e pós-processo, que permite avaliar os efeitos da concentração de MC-Al2O3 nos rebolos sobre a força de retificação e textura do componente. 4.1 Retificadora
O trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Mecânica de Preci-são LMP da UFSC. Foi empregada a retificadora universal Pratika Flexa 600-L da empresa Zema Zselics tipo, equipada com um sistema de Co-mando Numérico da Simens tipo Sinumerik 840D e seu respectivo sis-tema de acionamento Simodrive 611D na avaliação do processo de retifi-cação cilíndrica externa de mergulho.
A retificadora tem capacidade de realizar retificação externa de pe-ças radialmente simétricas, onde o comprimento máximo da peça a ser retificada é de 600 mm e o diâmetro máximo é de 275mm. As dimensões máximas do diâmetro do rebolo para as quais esta retificadora foi proje-tada é de 406 mm e a largura de 50 mm. A potência da máquina é de 5,6 kW, que alcança velocidades de corte de até 100 m/s.
A fixação do componente cilíndrico pode ser feita manualmente por meio do uso do cabeçote porta-peça (placa, pinça ou fixação magné-tica) e entre pontas com o auxílio do cabeçote contra-ponta. A rotação do componente é dada pela rotação do cabeçote porta-peça, apresentados na Figura 4.1.
O deslocamento em dois eixos (X e Z) do cabeçote porta-rebolo, ocorre pelo uso de guias de deslizamento hidrostáticas, e servomotres que acionam fusos de esferas recirculantes. O rebolo também é acionado por servomotores que permitem a variação da velocidade periférica do rebolo.
Figura 4.1 - Área de trabalho da retificadora cilíndrica CNC Zema Zselics Pratika Flexa 600-L.
4.2 Especificação e caracterização dos rebolos
Os rebolos utilizados nos ensaios desta pesquisa foram rebolos convencionais compostos por grãos de óxido de alumínio eletrofundidos e com concentrações distintas de grãos MC-Al2O3, confeccionados pela fabricante Krebs und RiedelSchleifscheibenfabrikGmbH& Co. KG.
As ferramentas possuem perfil reto, tamanho médio dos grãos de 185 µm, dureza J, porosidade 6 e ligante vítreo. As mesmas foram repre-sentadas com a sigla MC (microcristalino) seguida da numeração que in-dica sua concentração, como por exemplo MC15 que significa que rebolo contém 15% de grãos MC-Al2O3 e o restante de grãos eletrofundidos. O mesmo é válido para os rebolos MC30 e MC45 os quais contém 30% e 45% de grãos microcristalinos, respectivamente. Especificações técnicas como concentração, densidade, módulo Young e dimensões são apresen-tadas na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 - Especificações técnicas dos rebolos. Adaptado de [36].
Identificação MC15 MC30 MC45
Especificação 70A 80 J 6 V85 70A 80 J 6 V85 70A 80 J 6 V85 Concentração de
MC-Al2O3 15% 30% 45%
Densidade (g/cm³) 2,15 2,15 2,15
Módulo de Young (GPa) 49 50 50
Profundidade de penetração do jato de areia (mm)
2,1 2 2,1
Aspecto externo Safira (azul claro) Safira (azul claro) Safira (azul) Diâmetro externo inicial
(mm) 400 400 400
Diâmetro interno (mm) 203,2 203,2 203,2
Largura (mm) 30 30 30
Máx. Velocidade
periférica (m/s) 50 50 50
Com o intuito de caracterizar qualitativamente a presença de grãos microcristalinos na estrutura dos rebolos, foram feitas medições de mi-crotomografia por raios-x. Estas medições foram possíveis graças à par-ceria estabelecida entre o Laboratório de Mecânica de Precisão (LMP) e o Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas (LMPT), ambos situados na UFSC.
Para efeito de comparação, foram analisadas duas amostras cilín-dricas (diâmetro de 4 mm e comprimento de 10 mm), uma sem a presença de MC-Al2O3 e a outra com 45% de concentração de MC-Al2O3.A Figura 4.2 mostra as imagens adquiridas através do tratamento após obtenção das mesmas.
Figura 4.2 – Imagens obtidas da estrutura dos rebolos sem a presença de grãos MC-Al2O3 (esquerda) e com grãos MC-Al2O3 (direita) por meio de microtomo-grafia por raios-x.
Por meio destas imagens foi possível identificar a presença e a dis-tribuição dos grãos MC-Al2O3 na estrutura da ferramenta. A imagem si-tuada na esquerda (sem presença de MC-Al2O3) demonstra diferenças nas tonalidades de cinza entre o ligante e os grãos eletrofundidos. A imagem situada na direita (45% de MC-Al2O3) apresenta três tonalidades distintas, onde os grãos MC-Al2O3 são representados pelo tom de cinza mais claro. A partir desta análise pode se afirmar que os grãos MC-Al2O3 são homo-geneamente distribuídos na estrutura do rebolo, e que os grãos MC-Al2O3 têm geometrias similares aos grãos eletrofundidos da mesma amostra.
Os equipamentos e parâmetros de microtomografia utilizados são apresentados no APÊNDICE A.
4.3 Sistema de dressamento
O processo de dressamento com um disco dressador diamantado é esquematizado na Figura 4.3. Para que haja o dressamento do rebolo com o disco diamantado, ou seja, perfilamento e afiação, é necessário a rotação tanto do rebolo quanto da ferramenta responsável pelo condicionamento. Os parâmetros empregados no dressamento impactam diretamente na to-pografia do rebolo que, por conseguinte, influenciam no resultado e nas características do processo.
MC-Al2O3
Figura 4.3 - Cinemática de dressamento com disco. Adaptado de [8]. O disco diamantado aplicado para o dressamento do rebolo foi o da empresa Diamantwerkzeuge Hameln, na qual suas especificações são apresentadas na Tabela 4.2. Para gerar o perfil desejado na periferia do rebolo foi definida a velocidade periférica do disco (vr) em 18 m/s e a velocidade de avanço (vfad) em 1146 mm/min. A velocidade periférica do rebolo (vsd) empregada durante o dressamneto coincide com a velocidade periférica de processo. Isto posto, o grau de recobrimento (Ud)resultante é 1. A profundidade de dressamento (aed) estabelecida foi de 10 μm, e a relação de velocidades q em 0,6, discordante. Foram efetuados dez passes em cada processo de dressamento.
Tabela 4.2 - Especificações do disco de dressamento. Especificações técnicas do disco diamantado
Nomenclatura Material do grão
R140 IN2515 Diamante Tamanho médio do grão 251 μm Largura do revestimento 6 mm
Perfil Plano
Diâmetro externo 110 mm
Largura ativa (bd) 0,8 mm
Ligante Vitrificado (sinterizado) Material da estrutura Aço
4.4 Componente
Os componentes empregados nos ensaios de retificação são anéis em aço ABNT 1045, fabricados a partir de torneamento e seguido de tra-tamento térmico de têmpera em óleo e revenimento, conferindo ao mate-rial uma dureza de 40±1 HRC. A Tabela 4.3 apresenta a composição quí-mica do aço. A microestrutura do componente é apresentada na Figura 4.4, que evidencia a presença das fases de perlita e martensita revenida. Para a seleção do material foram considerados aspectos mecânicos e me-talúrgicos (dureza, transformação de fase, alotropia), e sua disponibili-dade no Laboratório de Mecânica de Precisão da UFSC.
Figura 4.4 - Microestrutura do componente de aço ABNT 1045. Tabela 4.3 - Composição química do ABNT 1045
ABNT C Mn P (máx.) S (máx.) 1045 0,43 - 0,5 % 0,6 - 0,9 % 0,04 % 0,05 %
A geometria e dimensões do componente foram fabricadas para satisfazer tanto a montagem do mesmo no dispositivo acoplado ao dina-mômetro rotativo, que permite a medições das componentes da força de retificação, quanto para facilitar as avaliações topográficas. As dimensões do componente com geometria anelar (de = 50 mm e di = 25 mm, apresen-tadas na Figura 4.5) possibilita a realização do processo de retificação cilíndrica de mergulho e gera flexibilidade na quantidade de volume re-movido sem danos à máquina-ferramenta. A largura de 10 mm viabiliza a máquina-ferramenta poder trabalhar com taxas de retificação mais ele-vadas (pois reduz os números de gumes atuantes no processo) sem ser prejudicial à avaliação topográfica do componente.
Figura 4.5 - Componente anelar empregado nos testes. 4.5 Meio lubrirrefrigenrante (MLR)
Como meio lubrirrefrigerante, foi empregado o fluido semi-sinté-tico ECOCOOL AP 71, da empresa Fuchs, diluído em água para a forma-ção da emulsão de 3% de concentraforma-ção. A Tabela 4.4 apresenta as carac-terísticas físico-químicas do meio empregado. O fluido é bombeado até a região de retificação e injetado por meio de uso de uma tubeira tipo jato livre, com uma vazão de 20 l/min. O meio lubrirrefrigerante em circula-ção é filtrado por um equipamento externo à retificadora.
Tabela4.4 - Características físico-químicas do meio lubrirrefrigerantes.
Ensaio Método ECOCOOL AP 71
Concentrado --- Líquido azulado
Mistura com água --- Azulada / Translúcida
Densidade a 20ºC ASTM D 1298 1,045
pH (solução a 5%) MR 125 9,6
Corrosão BOSCH, solução a 3% DIN 51 360 (2) Sem corrosão
Fator de Refração MR 044 2,1
Cloro, % --- Isento
4.6 Sistema de medição de componentes da força
Para o monitoramento, e posteriormente a avaliação das compo-nentes das forças de retificação durante os experimentos, foi utilizado um dinamômetro piezelétrico da empresa Kistler Instrumente AG, mostrado esquematicamente na Figura 4.6. O sistema de medição de forças é com-posto pelo dinamômetro rotativo (tipo:9124B1111), um estator (tipo: 5221B) e um condicionador de sinais multicanais (tipo:5223B2).
Figura 4.6 – Representação esquemática do sistema de medições das componen-tes da força de retificação [37].
O dinamômetro 9124B1111 mede três componentes da força (Fx, Fy, Fz) e o momento em torno do eixo de rotação (Mz). A interface de fixação do dinamômetro com a retificadora é um cone ISO 40. O fabri-cante garante que o dinamômetro seja resistente à água e poeira.
Para a montagem do dinamômetro na máquina ferramenta foi confeccionado um adaptador com cone interno ISO 40 (no cabeçote fixo da retificadora o fabricante forneceu uma interface CM 4). Para uma ins-talação mais segura foi confeccionada uma carenagem de proteção com-plementar envolvendo todo o dinamômetro.
O estator tem a função de fornecer energia para o transdutor (sem contato), captar os sinais por telemetria e enviar os mesmos através de uma conexão elétrica para o sistema de processamento de sinais. O mesmo ainda tem um conversor de sinal analógico que é enviado para o condicionador de sinal multicanal, que tem como finalidade realizar a fil-tragem de passa-baixo do sinal analógico. A frequência de cut-off do filtro é de 1 kHz. Após esse estágio o sinal está disponível na saída do condici-onador [37]. O estator é montado com uma folga de 1 até 2 mm em relação ao dinamômetro.
Dinamômetro rotativo
4.6.1 Montagem e método de medição de forças
A Figura 4.7 mostra esquematicamente a montagem do dinamô-metro piezelétrico rotativo no cabeçote porta-peça da retificadora e a adaptação do estator no dispositivo de fixação e ajuste do estator. O com-ponente anelar é fixado sobre um eixo cilíndrico e apertado por um con-junto porca-arruela para que não haja a rotação do componente durante a operação de retificação. O momento torsor de aperto da porca na fixação é cerca de 18 N.m.
Figura 4.7–Representação esquemática da montagem do dinamômetro e dispositivos. Acervo do GRÃO.
A Figura 4.8 explicita a bancada experimental montada para a aquisição e condicionamento dos sinais de forças adquiridos durante o processo. As componentes da força de retificação deformam cristais es-pecíficos no dinamômetro piezoelétrico, gerando sinais brutos em cada canal que são enviados por telemetria ao estator e por cabos elétricos ao condicionador de sinais. O condicionador é responsável pelo processa-mento das componentes da força e do moprocessa-mento torsor, as quais são plo-tadas na tela do computador pelo softwareDynoware™ daKistler Instru-mente.
A partir dos sinais gerados em tempo real, que representam as componentes da força e um pós-processamento dos mesmos (i.e. Fx, Fy, Mz) é possível recompor os sinais de força para as duas coordenadas de
interesse: a força tangencial (Ft) e a força normal (Fn), sendo Ft calculado com base no diâmetro do componente (dw)e no momento torsor (Mz). As interferências da massa do sistema de medição sobre a magnitude das componentes de força foram devidamente estimadas e consideradas nos cálculos. A metodologia do cálculo é apresentada no APÊNDICE B.
Figura 4.8 - Bancada experimental montada para medições das componentes da força de processo. Baseado em [38]
4.7 Sistema de medição óptica da topografia
Para as medições dos parâmetros de rugosidade, foi utilizado um sistema de medição óptico 3D Alicona Infinite Focus G5 (Figura 4.9) para as medições de topografia 3D e anisotropia da textura dos componentes retificados. As medições foram realizadas em cooperação com a UNI-FEBE (Centro Universitário de Brusque).
Por meio de variação de foco do instrumento, é possível realizar o escaneamento de toda superfície do componente. Assim cria-se um mo-delo 3D por meio da sobreposição dos planos de dados coletados durante a medição. Com base no modelo gerado, extrai-se informações como forma, rugosidade, anisotropia de textura e entre outros.
A amplitude de superfícies que podem ser medidas é quase ilimi-tada, garantidas pelo foco do feixe de luz. Para assegurar medições com resoluções adequadas, o instrumento possui seis opções de amplificações
(2,5 x, 5 x, 10 x, 20 x, 50 x,e 100 x). Para uma magnificação de 100x, é factível adquirir rugosidade Ra 0,03 µm em diante [39].
Figura 4.9 - Microscópio de foco infinito Alicona Infinite Focus G5. 4.8 Sistema de medição mecânica da topografia
O instrumento de medição de rugosidade Mitutoyo SJ-310 foi em-pregado para a avaliação do perfil longitudinal da topografia em duas di-mensões (2D), dos componentes retificados. O mesmo possui um trans-dutor, com um apalpador de diamante, instalado em uma guia vertical para ajuste de altura. As medições foram realizadas sobre uma mesa de granito fornecido pela própria empresa, com a premissa de atenuar vibra-ções no momento da aquisição do perfil. Foi utilizado também um suporte para fixação ideal do corpo de prova anelar, Figura 4.10.
O instrumento permite a leitura dos parâmetros de rugosidade e ondulação para a avaliação da topografia da superfície. Permite ajustar os filtros (Gaussiano, 2CR75, PC75) e comprimentos de amostragens de 0,003 até 8 mm.
5 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL
Para a investigação das propriedades do MC-Al2O3 e seus res-pectivos impactos no resultado de trabalho é proposto o método apresen-tado no diagrama da Figura 5.1. O método é divido em quatro fases: a) Definição dos rebolos a serem avaliados; b) Retificação com medição da força de retificação para volumes crescentes retificados (V´w); c) caracte-rização da topografia do componente; e d) compilação dos dados obtidos nas etapas prévias para estabelecer uma correlação entre a força e as ca-racterísticas topográficas dos corpos de provas como função da concen-tração de grãos MC-Al2O3 e do volume retificado.
Figura 5.1 - Diagrama do procedimento na avaliação da influência da concentra-ção de grãos MC-Al2O3.
5.1 Escolha dos rebolos
Os rebolos empregados neste trabalho fazem parte de um lote de 18 rebolos, fornecidos pela Krebs & Ridel Schleifscheibefabrik GmbH & Co. KG no escopo da cooperação entre o LMP e o IWF da TU Berlin. Para ter uma amostra representativa de rebolos, foram escolhidos três re-bolos com as mesmas características principais, distinguindo-se apenas pela concentração de grãos abrasivos de MC-Al2O3. Optou-se pelas con-centrações de MC-Al2O3 de 15, 30 e 45%, devido à disponibilidade no LMP. Rebolos avaliados - MC15 - MC30 - MC45 Processo de retificação com medição de força - pré-experimentos - Q' = 4 mm³/mm.sw - Q' = 6 mm³/mm.sw Caracterização topográfica do componente Avaliação da influência da concentração de grãos MC-Al O2 3
