6thBRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
April 11thto 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
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Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
ANÁLISE DO ERRO DE CIRCULARIDADE DE PEÇAS SUBMETIDAS A
ROTAÇÕES CRÍTICAS DURANTE O PROCESSO DE RETIFICAÇÃO
CENTERLESS
Luiz Maurício Gonçalves Neto, goncalui@yahoo.com.br1 Hamilton Funes Junior, hamilton_funes@yahoo.com.br1
Rômulo Marcellus Gonçalves, romuloblz@yahoo.com.br2
Eduardo Carlos Bianchi, Bianchi@feb.unesp.br1
1Universidade Estadual Paulista – UNESP – Campus de Bauru, Faculdade de Ciências de Bauru, Av. Luiz Edmundo Carrijo Coube, 14-01, Cx Postal 473, CEP 17033-360, Bauru, SP, Brasil
2Universidade Federal de São João Del Rei – UFSJ – Campus Santo Antônio, Praça Frei Orlando, 170, centro, CEP 36307-352, São João del-Rei, MG, Brasil
Resumo: O controle dos erros de circularidade continua sendo um dos principais focos de pesquisa nos processos de
usinagem por retificação. Mesmo quando os parâmetros de usinagem são ajustados corretamente, grandezas perturbadoras podem influenciar o processo de usinagem, gerando inconvenientes erros de forma geométrica na peça, o que conseqüentemente, provoca circularidade acima das tolerâncias especificadas. Uma fonte adicional deste defeito pode ser provocada pela vibração da máquina durante o processo de retificação. Uma vez que o sistema de retificação corresponde a uma situação de instabilidade dinâmica, é de grande interesse o estudo de meios para evitar tal influência, ou seja, determinar dados de usinagem de forma que estas situações não tragam problemas de qualidade ao produto final. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo, avaliar o erro de circularidade de peças submetidas a diversas rotações durante o processo de retificação. Os resultados obtidos foram apresentados na forma de gráficos.
Palavras-chave: Retificação, Centerless, Circularidade, Vibração
1. INTRODUÇÃO
A tecnologia de retificação centerless é um método proeminente de manter tolerâncias diametrais extremamente fechadas sob circunstância de uma produção seriada elevada e largamente utilizada quase que exclusivamente para processamento de peças no formato cilíndrico. É considerado como um processo complexo devido à dificuldade de entendimento dos muitos fenômenos que ocorrem durante a usinagem por abrasão, que vão desde a formação do cavaco em função do formato do gume de corte de cada grão abrasivo das ferramentas de corte, até seus efeitos na qualidade final do produto. Tudo isso sob influência de uma multiplicidade de fatores e parâmetros que envolvem este processo. No processo de retificação centerless a peça é retificada sem o emprego de qualquer meio de fixação, isto é, a peça permanece livre até o fim da operação, onde é simplesmente apoiada sobre uma régua de altura regulável, localizada entre os rebolos de corte e de arraste, conforme Figura 01. Neste processo, a usinagem ocorre quando a peça percorre de um lado para o outro o vão de retíficação, sendo conduzida pelo rebolo de arraste e retificada pelo rebolo de corte.
Figura 01 – Ilustração esquemática dos elementos de uma retificadora centerless de passagem (Gonçalves Neto; Miranda, 2007)
Durante o processo de retificação centerless o erro de circularidade da pecas durante a usinagem podem ser minimizado ou aumentado. Conforme Lindenau (2006), o erro de circularidade pode ser influenciado pela ajustagem geométrica da peça no vão de retificação. De acordo Petrosky (1998), além da posição geométrica da peça este erro também pode ser influenciado pela vibração da máquina durante o processo de retificação, que refere à freqüência natural da estrutura da máquina. Neste contexto, pretende-se avaliar, o perfil da seção de corpos de provas retificados em diversas rotações durante o processo de retificação centerless de passagem.
2. COMPORTAMENTO DINÂMICO DE MÁQUINA
O desenvolvimento do projeto de uma máquina inclui, além do dimensionamento e determinação dos materiais, cuidados que venham a garantir o desempenho esperado, que estão relacionados com o seu comportamento dinâmico quando em operação. A máquina desenvolve determinada potência líquida que requer a recepção, transformação e fornecimento de energia, o tamanho, a forma e o material dos elementos de máquina. Tendo como função, resistir às solicitações impostas, ou seja, as forças internas devem ter uma razoável distribuição, de modo a apresentar equilíbrio durante a operação. Além dos esforços inerentes a essa manipulação de energia, desenvolvem-se também esforços dinâmicos de origem inercial, devido a acelerações envolvidas na cinemática dos mecanismos (Almeida, 1987; Khater, 1998).
O comportamento dinâmico dos elementos de uma retificadora necessita de uma análise especial, pois estes podem vibrar a certa intensidade e influenciar negativamente na qualidade final da peça (Schreitmüller, 1971). Conforme Nussbaum (1988), as forças atuantes durante a operação de retificação produzem oscilações e tensões que devem ser absorvidas pelos elementos estáticos e dinâmicos de forma que não sejam ultrapassados os limites admissíveis para a operação. A rigidez estrutural do sistema de retificação pode ajudar a evitar vibrações, no sentido de obter um nível que não afete a qualidade do produto e desempenho do processo.
2.1. Sistema Máquina-Peça
Conforme Schreitmüller (1971), a retificadora centerless está subdividida principalmente em cinco elementos básicos, os quais definem as características da mesma, sendo: Base da máquina, mesa do rebolo de arraste, eixo do rebolo de corte, eixo do rebolo de arraste e régua de apoio Na Figura 02 está representado esquematicamente um sistema de elementos que ilustram a máquina.
Figura 02 – Elementos de retificadora centerless
Conforme Schreitmüller (1971), mesmo que os rebolos de corte (RC) e arraste (RA) estão balanceados dinamicamente, o sistema de forças excitantes pode derivar tanto da alteração da força de corte, no ponto de contato entre rebolo de corte e peça, da força de contato no ponto entre a peça e régua de apoio como do contato entre peça e rebolo de arraste.
2.2. Ressonância
Nussbaum (1988), explica que quando um sistema está em movimento oscilante, ou seja, vibrando numa freqüência natural, sofre a ação de uma força perturbadora, constantemente, com um período igual a “fo”, esta aumenta violentamente a sua amplitude, podendo atingir tal valor que é capaz de causar a ruptura do sistema oscilante.
No caso de um eixo de uma retificadora com rebolo este fenômeno também pode acontecer, manifestando oscilações mais ou menos violentas. Quando aparece algum defeito estrutural na peça (ou no rebolo) modificam-se as
superfícies do rebolo e peça, provocando uma vibração que pode ser igual à freqüência natural, predominante do sistema peça – rebolo - máquina. A força gerada no rebolo para corrigir o defeito na peça, na rotação sucessiva, criará uma nova vibração da mesma freqüência natural, então o sistema excitado por uma força de freqüência constante igual à natural entrará em ressonância, vibrando com uma grande amplitude. Se esta amplitude é maior do que a profundidade (ou amplitude) do defeito da peça que causou a primeira vibração, a operação torna-se instável, acontecendo à chamada “trepidação regenerativa”.
Em mecânica vibratória chamamos de “velocidade crítica” aquela em que aparece o fenômeno de ressonância do sistema e são identificadas pelas freqüências naturais. Em geral, um eixo pode ter várias “velocidades críticas” devido a:
1- Variação de rpm necessária pela variação do diâmetro (peso) no rebolo; 2- Variação da qualidade da peça usinada;
3- Estado dos elementos de transmissão, capazes de produzir vibrações diferentes. 2.3. Efeito da freqüência natural no erro de circularidade
Conforme Schreitmüller (1971), na retificação centerless forma-se o erro de circularidade no formato de uma oscilação harmônica, conforme representado na Figura 03, em virtude dos dados geométricos (ajuste do vão de retífica) e dinâmicos, que dependem da alteração da profundidade de corte entre peça e rebolo de corte e rotação dos rebolos e peca, respectivamente.
Durante a retificação, a peça gira a uma rotação “nw” e existe na sua circunferência, um erro de circularidade com “Z” ondulação (número inteiro). O produto dessas variáveis resulta a freqüência “fw” em que a peça é excitada no sistema retificadora-peça.
fw= nw.Z (01)
A hipótese de que o erro de circularidade é descrito através de uma oscilação harmônica, pode ser comprovada traçando o contorno da peça em um sistema de coordenada linear, conforme Figura 03, onde o contorno da superfície de uma peça retificada, apresentando 05 ondulações (“Z”), foi desenvolvido no sistema de coordenas e aproxima-se de uma função seno, (Schreittmüller, 1971).
Figura 03 – Contorno de uma peça e uma função seno
Esta freqüência quando aproxima ou coincide da freqüência natural influenciado pelas forças perturbadoras localizadas nos elementos (rebolo de corte, rebolo de arraste, régua de apoio e mesa do rebolo de arraste), torna-se o processo de retificação instável dinamicamente, (Schreimüller, 1971). Conforme Almeida (1987), se uma componente periódica da função excitadora aproxima-se de uma freqüência natural do sistema, existirá uma condição ressonante. Se esta condição existir em alguma velocidade específica, esta velocidade é chamada de velocidade crítica. Portanto, é importante no processo de retificação conhecer as velocidades críticas da peça, evitando a manifestação do fenômeno de ressonância e conseqüentemente erros característicos de forma geométrica da peça.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Os experimentos foram realizados em uma retificadora centerless de passagem fabricada pela empresa Mikrosa, modelo Kronos M 400, equipado com um comando numérico computadorizado CNC. A retificadora apresenta uma freqüência natural de aproximadamente 367Hz.
Para realização dos experimentos foram utilizados 600 corpos de prova, com dimensão 16x24mm, de aço 100Cr6, temperado e revenido com dureza aproximada de 60HRc. Para cada experimento utilizou-se 100 corpos de prova. Foi utilizado nos experimentos rebolo de corte e rebolo de arraste com as seguintes especificações: C100 T4B e ARR120, respectivamente.
As seguintes condições de retificação foram utilizadas para realização do experimento: • Diâmetro do rebolo de corte: 510mm
a) R2=76 rpm b) R3=88 rpm
• Diâmetro inicial do corpo de prova: 16,1mm • Diâmetro final do corpo de prova: 16mm • Comprimento do corpo de prova: 24mm • Diâmetro do rebolo de arraste: 332mm • Ângulo de topo da régua de apoio: 30º
Com auxílio do gráfico, de acordo Figura 04, foi selecionado as seguintes rotações do rebolo de arraste: R1=50rpm, R2=76rpm, R3=88rpm, R4=106rpm R5=131rpm e R6=170rpm. As rotações R2, R3, R4 e R5, conforme Figura 04 representam exatamente 14, 12, 10 e 08 ondulações, respectivamente. São consideradas rotações critica no processo, pois estas fazem com que os corpos de prova girem com a mesma freqüência da maquina, 367hz. Espera-se obter nestas condições o formato de oscilação harmônica dos corpos de prova, com os seguintes valores: 14, 12, 10 e 08 ondulações, respectivamente. Como as rotações R1 e R6 não representam um numero exato de ondulação, nestes casos os corpos de prova não obterão perfil da circularidade com um formato definido (oscilação harmônica).
Figura 04 – Relação entre a rotação do rebolo de arraste e número de ondulações para freqüência de 367hz, rebolo de arraste com 332 mm de diâmetro e corpo de prova com 16 mm de diâmetro.
4. RESULTADOS
No primeiro ensaio, Figura 05.a, o rebolo de arraste foi ajustado para trabalha a 76 rpm, esta rotação fez com que os corpos-de-prova girar em uma freqüência de 367 Hz, obtendo após a retificação um formato do erro de circularidade com 14 ondulações. A Figura 05.b os corpos-de-prova atingiram freqüência de 367 Hz, obtendo 12 ondulações após retificação.
Nos ensaios conforme mostra Figuras 06.a e 06.b os corpos-de-prova obtiveram formato de oscilação harmônica apresentando10 e 08 ondulações, respectivamente.
Figura 06 - Erro de circularidade
Observando-se a Figura 07.a-b, nota-se que os erro de circularidade dos corpos-de-prova após retificação não representaram formato de uma oscilação harmônica, isto deve ao fato de que para estas rotações (50 rpm e 170 rpm) os corpos-de-prova não atingiram a faixa de freqüência natural da máquina, ou seja, o sistema não entrou em ressonância.
Figura 07 - Erro de circularidade 5. CONCLUSÕES
É de suma importância para o processo de retificação centerless conhecer a freqüência natural da máquina, por meio deste dado é possível definir rotações de trabalho do rebolo de arraste, de maneira que a freqüência da peça não coincida com a freqüência natural da máquina, evitando assim, o fenômeno de ressonância e conseqüentemente erro característicos de circularidade (perfil transversal da peça com formato de uma oscilação harmônica). Mesmo quando o erro de circularidade esteja dentro dos valores especificados é de suma importância avaliar o perfil da seção transversal da peça retificada. Peças, como pinos de pistão, anéis e roletes de rolamento, com erros de circularidade no formato de uma oscilação harmônica, podem durante a aplicação gerar níveis de ruído com intensidade fora dos limites permitido. 6. REFERÊNCIAS
Almeida, M. T. “Vibrações Mecânicas para Engenheiros”. Editora Edgard Blücher Ltda, 1987.
Gonçalves Neto, L. M.; Miranda, G. W. “Software Paramétrico para o Processo de Retificação Centerless de Passagem”. In.: Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica - CIBIM 8º, Cusco – Peru, 2007.
Khater, E. “Diagnóstico de falhas em máquinas rotativas através da análise de vibração torcional”. Universidade federal de São João Del Rei, 1998.
Lindenau, K. Wirtschafltliche Fertigung mit Schleifen – Kostensenkung durch Prozesssicherheit und gezielte Maschinenbeschaffung, Carl Hanser Verlag, München 2006.
Nussbaum, G.CH. “Rebolos e Abrasivos” - Tecnologia Básica, Vol.: I, II e III. Livraria e Editora Jacomo Ltda, 1988. Petrosky, G. C. “Workpiece Shape control in throug – feed centerless grinding”. Dissertation, University of
Connecticut, 1998.
a) R4=106rpm b) R5=131rpm
Schreitmueller, H. Kinematische Grundlagen fuer die Praktische Anwendung des Spitzenlosen Hochleistungsschleifens. Dissertation, RWTH – Aachen, 1971.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores se responzabilizam pelo conteúdo e autorizam a publicação e reprodução do artigo “Análise do erro de circularidade de peças submetidas a rotações críticas durante o processo de retificação centerless”, no VI Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação – COBEF 2011.
ANALYSIS OF THE ROUNDNESS ERRORS OF THE PIECES SUBMITTED
TURNS CRITICAL DURING THE CENTERLESS GRINDING PROCESS
Luiz Maurício Gonçalves Neto, goncalui@yahoo.com.br1
Hamilton Funes Junior, hamilton_funes@yahoo.com.br1
Rômulo Marcellus Gonçalves, romuloblz@yahoo.com.br2 Eduardo Carlos Bianchi, Bianchi@feb.unesp.br1
1Universidade Estadual Paulista – UNESP – Campus de Bauru, Faculdade de Ciências de Bauru, Av. Luiz Edmundo Carrijo Coube, 14-01, Cx Postal 473, CEP 17033-360, Bauru, SP, Brasil
2
Universidade Federal de São João Del Rei – UFSJ – Campus Santo Antônio, Praça Frei Orlando, 170, centro, CEP 36307-352, São João del-Rei, MG, Brasil
Abstract: The control of the roundness errors continues being one of the main concerns of research in grinding
process. Even when the grinding parameters are correctly adjusted, disturbed largeness can influence the grinding process, creating geometric errors on the grinded product, which consequently, causes roundness above the specified tolerances. An additional source of this defect may be caused by machine vibration during the grinding process. Once the grinding process system works in a dynamic instability situation it is of great interest to study the means to prevent this condition, that is, determine the parameters of the grinding in a way that this situation does n t result in problems in the final quality of the product. In this context, the present paper aims the analyzes of the roundness errors of the pieces submitted to several turns during the grinding process. The obtained results are shown in the graphics that follow.
Keywords: Grinding, Centerless, Roundness, Vibration.
