MONITORAMENTO DO DESGASTE DAS FERRAMENTAS DURANTE O PROCESSO DE ROSQUEAMENTO COM MACHOS MÁQUINA VIA MEDIÇÕES DE VIBRAÇÕES

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1 MONITORAMENTO DO DESGASTE DAS FERRAMENTAS DURANTE O PROCESSO DE ROSQUEAMENTO COM MACHOS MÁQUINA VIA MEDIÇÕES DE VIBRAÇÕES Marcus Antônio Viana Duarte mvduarte@mecânica.ufu.br Tatiana Meola tatianameola@bol.com.br Alexandre Martins Reis amreis@mecânica.ufu.br Da Silva, M. B. Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Mecânica Av. João Naves de Ávila, 2160 Bloco 1M Campus Santa Mônica Uberlândia MG CEP mbacci@mecanica.ufu.br Resumo: Este trabalho tem como principal objetivo propor um critério para avaliação do grau de desgaste nos machos, baseado em sinais de vibração (aceleração) medidos durante o processo de rosqueamento interno. Os ensaios para medição dos sinais de vibração foram realizados com machos de aço rápido nitretados (HSS-NI), no rosqueamento de ferro fundido cinzento GH-190 a seco. Foi adquirido o sinal de vibração no mancal do eixo-àrvore da máquina ferramenta (Fresadora ROMI INTERACT IV), e conduzido até um amplificador, a um filtro, e finalmente a um microcomputador, onde era armazenado e processado. Na análise dos sinais de vibração, após filtragem dos mesmos via média sincronizada, foram estudados os seguintes parâmetros: média, desvio padrão, nível RMS, pico, pico a pico, fator de crista e Kurtosis. O objetivo desta investigação foi verificar o comportamento desses parâmetros ao longo da vida dos machos e relacionar desgaste com os sinais medidos. Com a utilização de médias sincronisadas, foi possível obter uma boa correlação entre os sinais de vibração e os níveis de desgaste das ferramentas, de tal forma que estes sinais pudessem ser utilizados no monitoramento dos desgastes dos machos durante o processo de rosqueamento interno. Palavras-chave: Rosqueamento Interno, Monitoramento de desgaste, Vibrações, Ferro Fundido Cinzento. 1. INTRODUÇÃO O rosqueamento interno com machos de corte é uma das operações de usinagem mais comuns, e é freqüentemente uma das últimas realizadas sobre a peça de trabalho, que neste caso já possui um alto valor agregado (Sha et al, 1990). Assim o monitoramento do desgaste dos machos de corte torna-se fundamental para a prevenção da quebra ou do próprio desgaste da

2 ferramenta, afim de garantir a melhoria na produtividade e no aumento da qualidade das peças usinadas (Wilcox et al., 1997). Dentre as peculiaridades do rosqueamento interno com macho está o fato do processo consistir de movimentação de ferramenta, início do corte, corte, frenagem da ferramenta e reversão, ou seja, é um procedimento altamente transiente onde o ciclo completo dura normalmente poucos segundos e pode ser dividido em dois estágios: Corte e Retorno. Durante o estágio de corte, os dentes do macho entram em ação de corte continuamente um após o outro, e sem experimentar um estágio de corte estável (em que todos os dentes estão em ação) os dentes de corte deixam a peça no fim do furo. Isto dificulta o monitoramento do processo, pois não existe um sinal de estado estável, que possa ser usado (Sha et al, 1990). Os desgastes e avarias dos machos de corte gerados durante a operação de rosqueamento, aparecem em maior intensidade nas arestas da região cônica do macho, pois é esta a primeira porção do macho a realizar as ações de corte (Bezerra et al, 2001). Quanto a forma de se medir os desgastes e avarias que ocorrem nos machos de corte, é comum encontrar na literatura dados relativos a medições de desgaste de flanco, não existindo, contudo um parâmetro definido para isso, já que a definição de VB(desgaste de flanco) e VB max (desgaste de flanco máximo) não é direta para esta ferramenta que possui uma geometria complexa. Assim, ao contrário do que ocorre com outras ferramentas de corte, não existe um critério de desgaste de macho de corte, que seja comumente reconhecido e praticado (Sha et al, 1990). Desta forma, os critérios para avaliação do desgaste dos machos podem ser totalmente diferentes para dois ou mais usuários distintos. Alguns usuários fazem apenas o monitoramento direto do desgaste, medindo-o diretamente no macho de corte, utilizando-se parâmetros métricos predefinidos, como VB ou VB Max, ou apenas observando o estado de desgaste da ferramenta através de um microscópio ferramentaria, em alguns casos especiais, através de um microscópio eletrônico de varredura (MEV). Outros usuários além do monitoramento direto fazem também o monitoramento indireto, que é aquele onde se mede um parâmetro que esteja relacionado com o desgaste, ou com a dimensão e funcionalidade da peça (Bezerra et al, 2000). Um exemplo do monitoramento indireto é a avaliação das dimensões das roscas através de um calibre padrão passa-não-passa. As medições indiretas, também se baseiam no monitoramento das forças de usinagem, vibrações mecânicas do sistema, emissão acústica, potência ativa ou ainda em medições de outros parâmetros do processo (Kluft, 1997). No caso do rosqueamento interno com macho, os parâmetros mais usados no monitoramento indireto do desgaste, são o torque necessário para gerar a rosca, e as componentes da força de usinagem. Assim ainda existem poucos trabalhos que utilizam sinais de vibração no monitoramento do desgaste em machos de corte. Este trabalho tem como principal objetivo verificar a correlação entre os sinais de vibração, medidos durante o processo de rosqueamento interno, e o estado de desgaste apresentado pelo macho de corte. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Foram realizados 20 ensaios com o processo de rosqueamento interno do ferro fundido GH - 190, utilizando-se uma fresadora CNC e ferramentas do tipo machos máquina ISO 529 M6x1 6H (Canal reto), cujos dados são mostrados na Tabela 1. Cada ensaio consistia do rosqueamento de nove furos roscados com ferramentas novas e ferramentas que já haviam realizado 450, 900, 1350 e 1800 roscas, respectivamente, num processo de rosqueamento na FIASA (Fiat Sociedade Anônima) em Betim. Os materiais das ferramentas são de quatro tipos: aço rápido, aço rápido especial, aço rápido nitretado e HSS-p. O processo foi realizado com uma profundidade de 8,25 mm, rotação do eixo da árvore de 451 rpm e avanço da ferramenta de 451 mm/min. Durante o processo de rosqueamento foram medidos os sinais de vibração do mancal inferior da fresadora CNC e, após o término do ensaio, mediram-se os valores de desgaste da carreira 1, cota 3, do terceiro dente (Reis et al, 2003). A título de exemplo, na Figura 1 estão

3 mostrados os desgastes médios, com respectivos desvios padrões, para um conjunto de ensaios com um macho de aço rápido. Para a aquisição dos sinais de vibração da fresadora CNC, foram utilizados um acelerômetro piezelétrico do tipo 4367 da B&K, um pré amplificador de carga do tipo 2635 da B&K, uma placa de aquisição de sinais A/D do tipo ADC-100 da picotechnology e um micro computador para processamento dos dados adquiridos. Os sinais de vibrações foram adquiridos com uma taxa de amostragem de 4096 Hz. Tabela 1. Dados da ferramenta N de canais 4,0 canais (carreiras) N de filetes no chanfro 2,0 filetes (dentes) N de filetes total 20,0 filetes (dentes) Ângulo de entrada ou de inclinação do chanfro 20,0 Ângulo de saída ou ângulo de corte De 12,0 a 14,0 D(Diâmetro externo) 6,0mm (M6) Passo 1,0 mm D2 (Diâmetro efetivo) 5,4 mm D1 (Diâmetro interno) 4,9 mm H1(altura do filete) 0,5 mm Ângulo da rosca 60,0 Comprimento da parte rosqueada 19,0 mm Largura do Quadrado 5,0 mm Diâmetro da haste 6,3 mm Comprimento total 66,0 mm Diâmetro do estrangulamento da haste 4,5 mm Comprimento de estrangulamento da haste 11,0 mm Comprimento do arraste do quadrado 8,0 mm Figura 1. Valores de desgaste da ferramenta em função do n de furos Uma tentativa de monitorar o processo via medição da potência da máquina mostrou-se insatisfatória, uma vez que não houve sensibilidade do parâmetro potência em relação ao processo de rosqueamento. Na realidade, o sensor de efeito Hall não teve resolução para diferenciar o tempo de rosqueamento do tempo de movimentação do cabeçote da fresadora. O mesmo aconteceu com os níveis globais de vibrações, como pode ser visto na Figura 2 onde a

4 região B, que é representativa do processo de rosqueamento, apresenta níveis de vibrações inferiores aos da região A, a qual nada mais é do que a vibração provocada pelo movimento do cabeçote antes de efetuar o corte. Ainda com relação a Figura 2, que mostra a evolução temporal dos níveis de vibrações ao longo do processo de roscamento, pode-se observar as diferentes etapas do processo: A) movimentação e posicionamento da ferramenta de corte; B) entrada da ferramenta na peça e rosqueamento; C) inversão da rotação da máquina e; D) saída da ferramenta. Figura2. Evolução dos valores de vibração ao longo do tempo. A metodologia clássica de análise das características extraídas do sinal de vibração no monitoramento do desgaste da ferramenta é a modelagem estatística (Neto et al, 2001), ou seja: Mede-se os níveis de vibrações durante os ensaios; Mede-se o desgaste da ferramenta (saída); Calcula-se os sintomas vibratórios de interesse (entradas); Calcula-se os coeficientes de correlação das entradas/saída; Escolhe-se como parâmetros os sintomas mais correlacionados com a saída; Assume um modelo linear entrada/saída; Estima-se as curvas de regressão; Estima-se os intervalos de confiança do modelo e, caso necessário, faz-se uma análise de variância (ANOVA); Escolhe-se o modelo de mínima variância; Os sintomas vibratórios utilizados neste trabalho foram (Braun, 1986): nível RMS, Fator de Crista, Kurtosis; níveis de potência vibratória em bandas de 1/3 de oitava entre 20 e 1600 Hz. 3. RESULTADOS E ANÁLISES Os resultados de vibração estudados foram constituídos pelos níveis de potência de aceleração em 20 bandas de freqüência de 1/3 de oitava centradas entre 20 e 1600 Hz e cinco resultados estatísticos de tempo constituídos por nível médio quadrático global (RMS), valor máximo de pico (P),valor máximo pico a pico (P-P), fator de crista (FC) e kurtosis (K).

5 Uma análise prévia envolvendo dois tipos de ferramentas, mostraram que apenas na região inicial do rosqueamento observou-se alguma correlação entre os sintomas de vibrações estudados e o desgaste da ferramenta. Portanto, todos os resultados apresentados neste trabalho dizem respeito a análises feitas na região B mostrada na Figura 2. Nas tabelas Tabela 2 e Tabela 3 são mostrados os coeficiente de correlação C(%) entre desgaste de ferramenta e os níveis de potência vibratória em bandas de 1/3 de oitava e os parâmetros estatísticos no domínio do tempo, respectivamente. Tabela. 2. Coeficiente de correlação C(%) entre desgaste de ferramenta e níveis de potência vibratória em bandas de 1/3 de oitava (fc [Hz] freqüência central) Fc C -25,95-29,12-67,44 95,94 74,35-65,63-10,87-32,79 Fc C -69,90-58,18 54,81 26,06-47,31-67,30-68,17 Tabela 3. Coeficiente de correlação C entre desgaste de ferramenta e os parâmetros estatísticos no tempo T. T C [ % ] RMS [ m/s 2 ] 42,27 P [[ m/s 2 ] 57,16 P-P [ m/s 2 ] 57,34 FC [ -- ] 16,76 K [ -- ] 29,25 Observa-se nas tabelas Tabela 2 e Tabela 3 que apenas os parâmetros de potência vibratória na banda de 125 Hz (fc 125 ) têm valores significativos de correlações com o critério de desgaste utilizado. O modelo de mínima variância é o modelo linear da Equação 1, para um intervalo de confiança de 95%. Desgaste [ 16,03 16,46 ] + [ 0,29 0,55 ] Fc 125 = (1) Apesar do bom grau de confiança deste modelo, aliado a um erro médio quadrático de (0,69%), a utilização da banda de 1/3 de oitava para monitorar o processo de rosqueamento sob estudo não é aconselhável devido à pequena variação dos níveis de vibração nesta banda de frequência com o desgaste, como pode ser visto na Figura 3, que mostra os níveis de vibrações da banda de 1/3 de oitava centrada em 125 Hz em função do desgaste. Uma variação de apenas 1 db no nível de potência de vibração para uma variação de desgaste de aproximadamente 0,7 mm, é muito pequena e altamente dependente de erros de medição e ruídos espúrios. Procurando aumentar a sensibilidade do sintoma vibratório, em função do desgaste, foi feito uma análise tempo-frequência, via distribuição de Choi-Williams (Cohen, 1995), dos sinais de vibração medidos durante o processo de rosqueamento. A Figura 4 mostra uma distribuição tempo frequência, representativa, da região B (Figura 2), onde pode-se observar o aumento da energia vibratória na frequência de 27,0 Hz e seu harmônicos. Em função da resolução em frequência da distribuição (4 Hz), esta frequência deve corresponder ao quarto harmônico de rotação da ferramenta (30 Hz). Em função da existência de um conjunto de harmônicos relacionados com o desgaste da ferramenta, optou-se por utilizar média sincronizada (Equação 2) na fase de processamento dos dados. A média sincronizada funciona como um filtro de harmônicos, sendo que este filtro consiste no cálculo da média de N segmentos de dados periódicos conforme mostrado na Figura 5.

6 N 1 r = 0 1 y ( it) = x( it rnt) (2) N Figura 3. Níveis de potência vibratória na banda de 125 Hz, em função do desgaste Figura 4. Distribuição tempo-frequência no início do rosqueamento.

7 Figura 5. Procedimento esquemático para fazer média sincronizada. Depois de filtrar os sinais, foi realizada uma nova análise de correlação entre os valores de desgaste, níveis de potência vibratória e parâmetros estatísticos do tempo. As tabelas Tabela 4 e Tabela 5 mostram os valores de coeficiente de correlação entre os sintomas vibratórios no domínio da frequência e no domínio do tempo, respectivamente. Tabela 4. Coeficiente de correlação C [ %]entre Desgaste de ferramenta e níveis de potência vibratória em bandas de 1/3 de oitava (fc [Hz]) fc C 81,21 96,45 93,39 79,28 98,67 98,06 93,65 47,73 fc C 62,22 87,98 82,34 59,93 47,12 56,20 52,78 Tabela 5. Coeficiente de correlação C entre desgaste de ferramenta e os parâmetros estatísticos no tempo T. T C [ % ] RMS [ m/s 2 ] 53,54 P [ m/s 2 ] 61,60 P-P [ m/s 2 ] 61,74 FC [--] 40,86 K [--] 54,06 Observa-se, comparando a Tabela 4 com a Tabela 2, um aumento significativo nos valores dos coeficientes de correlação em função da utilização do filtro, principalmente na banda de 63 a 250 Hz. Uma pequena melhora nos valores dos coeficientes de correlação também ocorre nos sintomas do domínio do tempo. A Figura 6 mostra a evolução dos níveis de vibrações em função do desgaste para a banda central de 160 Hz, onde pode-se observar uma correlação excelente entre o critério de desgaste utilizado e o sintoma vibratório medido. Observa-se também, que a sensibilidade do sintoma vibratório com o desgaste dobrou com a utilização do filtro via média sincronizada. Testes realizados com ferramentas nitretadas resultaram num coeficiente de correlação igual a 99,2 para o sintoma vibratório fc 160, demonstrando o potencial do monitoramento do desgaste via medições de vibrações.

8 Figura 6. Níveis de potência vibratória, na banda de 160 Hz, em função do desgaste, para o sinal filtrado via médias sincronisadas. 4. CONCLUSÕES As principais conclusões que puderam ser obtidas deste trabalho foram: Devido aos esforços envolvidos no processo, o monitoramento indireto do processo de rosqueamento é deveras complexo. Os sintomas vibratórios calculados no domínio do tempo de nível RMS, valor pico, valor pico-a-pico, fator de crista e Kurtosis são poucos correlacionados com o desgaste da ferramenta. Em algumas bandas do espectro de potência, observa-se boa correlação entre vibrações e desgaste, porém a sensibilidade do sintoma vibratório ao desgaste é muito baixa; A distribuição de Choi-Williams mostrou-se uma ferramenta interessante para a identificação das frequências importantes no processo do rosqueamento. A utilização de médias temporais sincronisadas com a frequência básica da furação (frequência de rotação da máquina vezes o número de canais) resultou numa melhora geral dos valores de coeficiente de correlação com relação ao desgaste. Observou-se também um aumento global de sensibilidade, ou seja: o efeito filtro das médias temporais melhorou em muito a relação sinal/ruído do processo monitorado. Usando a combinação de médias sincronisadas com algumas bandas do espectro de potência das vibrações é possível obter uma relação linear entre o sintoma vibratório e o critério de desgaste de ferramenta utilizado neste trabalho. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BEZERRA, A. A.; COELHO, R. T.; DA SILVA, L. R; Monitoração dos Processos de Roscamento: Revisão da Literatura. Anais do CONEM 2000 (Congresso Nacional de Engenharia Mecânica), Natal RN Brasil, 2000, p. 10.

9 BEZERRA, A. A.; COELHO, R. T.; DA SILVA, L. R.; JÚNIOR, A. B.; Investigação do Processo de Roscamento com Alta velocidade de Corte em Ferro Fundido. Anais do COBEM 2001 (Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica), Uberlândia MG Brasil, 2001, p. 10. BRAUN, S.; Mechanical Signature Analysis Theory and Aplications, Ed. Academic Press, London, COHEN, L.; Time-Frequency Analysis, Ed. Englewood Cliffs, Prentice Hall, KLUFT, W.; Monitorando a Ferramenta e Visualizando o Processo de Corte, Melhora-se a Produção. Máquinas e Metais, n. 378, jul., 1997, p NETO, B. B., SCARMINIO, I. S. e BRUNS, R. E.; COMO FAZER EXPERIMENTOS: Pesquisa e Desenvolvimento na Ciência e na Indústria. ISBN: ; 401 pg, REIS, M., A., VIOLATTI, D. C., SEPPE, W. JR., SANTOS, A. M. JR.; Avaliação do Desempenho de ferramentas de aço-rápido do rosqueamento interno do ferro fundido cinzento GH 190. Submetido ao 2 o. COBEF, SHA, J.; NI, J.; WU, S. M.; Development of a Tap Wear Monitoring Scheme. Proceedings of Manufacturing International Part 4: Advances In Materials And Automation, Atlanta, GA, USA, 1990, p WILCOX, S. J.; REUBEN, R. L.; SOUQUET, P. ; The Use of Cutting Force and Acoustic Emission Signals for the Monitoring of Tool Insert Geometry During Rough Face Milling. International Journal of Machine Tools and Manufacturing, Vol. 37, n. 4, 1997, p TOOL WEAR MONITORING IN THREAD TAPPING OPERATION BY VIBRATION SIGNAL MEASUREMENTS Marcus Antônio Viana Duarte mvduarte@mecânica.ufu.br Tatiana Meola tatianameola@bol.com.br Alexandre Martins Reis amreis@mecânica.ufu.br Da Silva, M. B. Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Mecânica Av. João Naves de Ávila, 2160 Bloco 1M Campus Santa Mônica Uberlândia MG CEP mbacci@mecanica.ufu.br Abstract: The main goal of this work is to stablish a criterion to monitoring tool wear throughout vibration signal measurement in thread tapping operation. Gray cast iron GH-190 is dry machined using high speed steel tools with nitrided surface (HSS-Ni). The vibration signal is measured in the splinde of the machine tool, a CNC milling machine, during the operation. The signal is then conducted to an amplifier, filtered and acquired using a computer to be stored and

10 processed. After filtered, using synchronised average, the following parameters were analysed: average, standard deviation, RMS level, peak, peak to peak distance, creast factor and Kurtosis. All these parameters were monitored during operation and related to tool wear measured in the optical microscope. With utilization of time domain averages, the results showed good correlation between tool wear and vibration signal, suggesting that the parameters can be used to monitor the operation. keywords: Thread tapping, Wear monitoring, Vibration, Gray cast iron.