V Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

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1 MONITORAMENTO DA OPERAÇÃO DE DRESSAGEM POR EMISSÃO ACÚSTICA E POTÊNCIA DE CORTE Daniela Fernanda Grizzo Moia Aluna do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Unesp Bauru Prof. Dr. Paulo Roberto de Aguiar Orientador Depto de Engenharia Mecânica Unesp Bauru Prof. Dr. Eduardo Carlos Bianchi Co-Orientador Depto de Engenharia Mecânica Unesp Bauru RESUMO A retificação é um processo utilizado no acabamento de peças. O excessivo atrito entre o rebolo e a peça retificada torna a ferramenta inadequada para nova utilização, sendo imprescindível a realização do processo de dressagem do rebolo para remoção e ou avivamento dos grãos gastos de sua superfície de forma a deixá-lo em condições para novo uso. Com a finalidade de melhorar tal processo, este trabalho teve como objetivo a realização do monitoramento da operação de dressagem baseada no processamento digital dos sinais de emissão acústica (EA) e potência elétrica do motor de acionamento do rebolo. Nos experimentos foi utilizado um rebolo de óxido de alumínio instalado em uma retificadora plana, um dispositivo em forma de balança utilizado juntamente com o sensor de deslocamento para a medição da agressividade, um sistema de aquisição de sinais e um dressador de ponta única de diamante. O processamento digital desses dados foi obtido utilizando-se o software Matlab. Realizaram-se ensaios com diferentes graus de recobrimento (U d ) e profundidade de dressagem (a d ) comparando-se a agressividade obtida. A partir dos dados de EA puro e potência elétrica, calculou-se o sinal RMS de EA, DPO e DPKS, que se mostraram bons indicadores para tal operação, mostrando que para recondicionar e definir novas características para o rebolo é necessária a remoção de um total de 120 µm. Nessas condições o rebolo atingiu as condições necessárias, estando pronto para nova utilização. Através desses experimentos, das variações dos parâmetros já citados, foi possível realizar e identificar o controle do desgaste excessivo do rebolo, atingindo assim as características necessárias para a usinagem da peça. Do estudo do espectro do sinal de EA notou-se também que não há componentes harmônicas com frequência superior a 200 khz. PALAVRAS-CHAVE: Retificação, dressagem, emissão acústica, potência. 1 INTRODUÇÃO Segundo lnasaki et al. (1999), nos últimos anos, os processos de usinagem, em geral, incluindo o processo de retificação, foi submetido a mudanças dramáticas. Tornou-se uma tendência permanente para redução de custos, aumentando a expectativa de produtos de alta qualidade e reduzindo o tempo de fabricação. A complexidade do processo de retificação é decorrente das dificuldades encontradas em relação ao elevado número de parâmetros nele envolvido. No processo de retificação, durante a usinagem da peça, o excessivo atrito entre o rebolo e a peça retificada torna a ferramenta inadequada para nova utilização, sendo

2 imprescindível a realização do processo de dressagem do rebolo para remoção e ou avivamento dos grãos gastos de sua superfície de forma a deixá-lo em condições para novo uso. Segundo Linke (2008), o desempenho desse processo depende principalmente da forma com que o rebolo é preparado. O processo de dressagem deve produzir uma topografia adequada para o rebolo além do perfil desejado, levando-se em conta o desgaste do rebolo. A topografia do rebolo influencia a rugosidade e a camada superficial da peça por meio da quantidade e forma das arestas de corte, do volume do poro e do comportamento do desgaste da camada abrasiva. A operação de dressagem, ainda é pouco conhecida em sua totalidade devido a influência das condições de dressagem na retificação, pois a geometria do dressador é um fator de grande influência que frequentemente não é levado em conta. A maioria dos trabalhos encontrados na bibliografia utiliza como variáveis do processo a profundidade de dressagem (a d ), largura de trabalho (b d ), largura do rebolo (b s ) e o passo de dressagem (S d ). Segundo Souza (2009), são dois os efeitos resultantes da operação de dressagem: o macroefeito e o microefeito. O macroefeito é formado em função do formato do dressador, da profundidade de penetração deste e do passo de dressagem em que é realizada a operação. Esse fenômeno determina a posição na qual as arestas dos grãos abrasivos estão localizadas. Pode-se dizer que o macroefeito é a rosca (ondulação teórica, W t ) que o dressador produz na face do rebolo. A Figura 1 representa o esquema do processo de dressagem. O microefeito é formado pelo arrancamento dos grãos desgastados (com baixa ancoragem na liga) e fratura dos grãos que não se desgastaram por completo, onde novas arestas de corte são geradas pelo dressador. A agressividade das arestas depende das condições de dressagem e da friabilidade (capacidade em formar novas arestas de corte quando fraturado) do grão abrasivo. O fenômeno do microefeito está, portanto, relacionado com o tipo de aresta que é formada nos grãos abrasivos durante a operação de dressagem, podendo variar a agressividade do rebolo. A Figura 1 representa o esquema do processo de dressagem. O microefeito é formado pelo arrancamento dos grãos desgastados (com baixa ancoragem na liga) e fratura dos grãos que não se desgastaram por completo, onde novas arestas de corte são geradas pelo dressador. A agressividade das arestas depende das condições de dressagem e da friabilidade (capacidade em formar novas arestas de corte quando fraturado) do grão abrasivo. O fenômeno do microefeito está, portanto, relacionado com o tipo de aresta que é formada nos grãos abrasivos durante a operação de dressagem, podendo variar a agressividade do rebolo. Figura 1 - Esquema do processo de dressagem (adaptado de Bianchi, 1990)

3 Segundo Paula (2007), a forma de afiação que usualmente é utilizada, ajustando-se o avanço do dressador em função do seu tipo, é inadequada, pois não leva em conta a largura de atuação deste no instante da operação. Tal largura varia ainda devido ao desgaste da ponta do dressador durante várias operações de dressagem. De acordo com Hassui & Diniz (2003) o grau de recobrimento (U d ) é a relação entre a largura de atuação do dressador (b d ) e o passo de dressagem (S d ), conforme a expressão: U d b = S d d (1) As condições de dressagem influenciam diretamente na taxa de remoção de material, e interfere também na rugosidade da peça produzida. Em dressagens grossas, onde o grau de recobrimento é pequeno e o número de arestas atuantes é reduzido, é provocado um aumento na profundidade dos sulcos que, conseqüentemente, provoca valores mais elevados na rugosidade. Na dressagem fina, com valores maiores de grau de recobrimento, um número significativamente maior de arestas atuantes divide os esforços e cada grão abrasivo penetra menos na peça, reduzindo assim os valores de rugosidade. O processamento dos sinais de emissão acústica (EA) é muito utilizado no processo de retificação, seja para análise de fenômenos ocorridos na peça de trabalho como para estudo da ferramenta de corte. O mecanismo cinemático da operação de dressagem consiste em deslocar o dressador transversalmente ao rebolo em movimento de rotação. A penetração do dressador a uma determinada profundidade de dressagem (a d ), implica numa largura de atuação de dressagem (b d ) e este valor pode ser determinado medindo-se a ponta do dressador com um projetor de perfis, por exemplo (Oliveira et. al., 2002 ). O objetivo deste artigo é realizar uma investigação da operação de dressagem no processo de retificação baseada no processamento digital dos sinais de emissão acústica (sinal puro) e potência elétrica do motor de acionamento do rebolo. 2 MATERIAIS E MÉTODOS Com o objetivo de estudar a agressividade do rebolo quando dressado com diferentes graus de recobrimento (U d ) e profundidades de dressagem (a d ), ensaios de dressagem foram realizados em uma máquina retificadora plana modelo RAPH 1055, da marca Sulmecânica equipada com um rebolo convencional de óxido de alumínio do fabricante Norton (38A220KVS, 355,6x12,7x127 mm e rotação máxima de 1775 RPM) e utilizando-se fluido de corte do tipo emulsão, com concentração controlada em torno de 4% em volume de óleo. Utilizou-se um dressador de ponta única de diamante, cujas dimensões foram medidas para cada ensaio, utilizando-se um projetor de perfil da marca Nikon, modelo 6C, cuja precisão de leitura é de 1µm. O esquema da montagem rebolo dressador- sensor pode ser visualizado na Fig.(2).

4 Figura 2 - Montagem esquemática do processo de dressagem com o sensor de Emissão Acústica Ao início de cada ensaio, desgastou-se o rebolo usinando-se uma peça de aço sem a utilização de fluido de corte até a ocorrência da queima desta peça, havendo então a necessidade de dressar o rebolo, que, após este processo, encontra-se desgastado e impregnado por cavaco. Foram realizados três ensaios de agressividade ao longo de cada ensaio de dressagem, sendo um no início, sem remoção de material do rebolo, outro na metade do ensaio, com 120 µm de material do rebolo removidos, e outro no final, com 240 µm de material removidos. Para isto, utilizou-se o método do disco retificado proposto por Coelho (1991), que consiste em submeter um disco, sob a ação de uma força constante, à retificação de mergulho. Isto é feito através do uso de um dispositivo semelhante a uma balança de pratos colocada sob o rebolo. Durante a retificação do disco, seu deslocamento é registrado no tempo através de um apalpador eletrônico acoplado à balança capaz de fornecer o valor do deslocamento em forma de tensão analógica. Isto proporciona o registro do comportamento do rebolo durante a retificação sob uma variação contínua de pressão, proporcionada pela forma cilíndrica do disco. A Figura (3) apresenta o esquema de montagem utilizado neste processo. Figura 3 - Método do disco retificado Coelho (1991) relaciona o deslocamento do disco (δ) em função do tempo (t), através da equação 2:

5 Onde: K = Agressividade F n = Força normal de retificação b = largura do disco r = raio do disco (2) Foram coletados, para esse monitoramento, os sinais de potência elétrica do motor que aciona o rebolo, emissão acústica puro (EA), (com uma taxa de 1,0 milhão de amostras por segundo) e, para os ensaios de agressividade, deslocamento do disco (com uma taxa de 1 mil amostras por segundo) Na aquisição dos sinais de potência elétrica foram utilizados um sensor de efeito Hall do fabricante Nana Eletronics Co. Ltda, para obter a corrente elétrica e um sensor piezelétrico, modelo LV25-P, do fabricante LEM, para obter a tensão. Na aquisição dos sinais de Emissão Acústica utilizou-se um sensor do tipo piezelétrico do fabricante Sensis, acoplado ao suporte do dressador, ligado a um módulo, também do fabricante Sensis que fornece como saída o sinal denominado puro ou RAW, de emissão acústica. Para o cálculo da agressividade utilizou-se o equipamento de apalpador eletrônico TESATRONIC TT60. Tais sinais foram enviados a uma placa de aquisição de dados da marca National Instruments, modelo PCI- 6111E, de dois canais que possibilita uma frequência de amostragem de 5 MHz divididos igualmente entre os canais. Tal placa foi instalada em um microcomputador, tipo PC AMD Athlon XP de 1,6 GHz, com 1 GB de memória RAM. Esses dados foram armazenados através do uso do software Matlab O módulo de aquisição de emissão acústica foi configurado de acordo com os parâmetros mostrados na Tab. (1). Tabela 1- Configuração do sensor de EA Canal de Ganho de Ganho de Redução de Filtro Filtro Passa- Entrada Entrada Sinal Ruído Passa-Alta Baixa khz Nenhum Todos os ensaios de dressagem foram realizados com a utilização do fluido de corte. No total foram realizados 14 ensaios, os quais são mostrados na Tab. (2). Ensai o U d a d (µm) Tabela 2-Dados dos ensaios realizados b d (µm) V d ( m/s) n (rpm) Diâmetro do rebolo (mm) Número de Passadas 01 2, ,3 2, , , ,3 1, , , ,0 4, , , ,9 2, ,0 12

6 05 1, ,6 3, , , ,3 5, , , ,9 3, , , ,0 4, , , ,9 7, , , ,2 3, , , ,0 5, , , ,9 7, ,7 04 Os ensaios foram realizados na seguinte ordem: 06*, 07, 08, 09, 10, 11*, 12, 06, 05, 04, 11, 01, 02, e 03. Sendo que os ensaios que apresentam a marcação * foram desprezados devido à ocorrência de problemas ao longo de sua realização. 3 ESTATÍSTICAS UTILIZADAS 3.1 RMS do Sinal de EA Entre certo intervalo t, o valor RMS do sinal puro de emissão acústica pode ser expresso pela equação 3 (Liu, 1991; Webster et al., 1996). EA RMS = 1 T t N 2 AERMS ( τ ) dτ = t T T i= 1 1 AE 2 RMS ( i) RMS. (3) Onde: T é o tempo de integração N é o número discreto de dados de EA no intervalo de T EARMS é a emissão acústica obtida através do uso de filtro analógico ou digital 3.2 DPO Aguiar et al. (2002) demonstrou que o sinal RMS de emissão acústica e o sinal da potência de corte, combinados, podem fornecer parâmetros expressivos para a indicação da queima da peça na retificação plana. A relação entre o desvio padrão do sinal RMS de EA e potência média de corte por passada do rebolo é um dos parâmetros indicativos, denominado DPO, expresso pela Equação (4) (Aguiar et al., 2002). DPO = S( EA) MAX ( POT ) Onde: S(EA) é o desvio padrão do sinal de emissão acústica por passada, MAX(POT) é a potência máxima por passada. (4)

7 3.3 DPKS O DPKS é calculado pelo desvio padrão da emissão acústica multiplicado pela somatória da potência subtraída do seu desvio padrão elevado à quarta potência, representado pela Equação (5) (DOTTO et al., 2006). i DPKS = = = m i 1 ( POT ( i) S( POT )) 4 * S( EA) Onde: i é o índice da potência que varia de 1 até m pontos de cada passada; m é o número de pontos da passada; POT(i) é o valor instantâneo da potência; S(POT) é o desvio padrão da potência na passada; S(EA) é o desvio padrão da emissão acústica RMS da passada; (5) 3.4 MVD Processado no domínio da frequência, a estatística CFAR do desvio do valor médio (MVD) é definido através da Equação (6) (WANG et al, 2001). T mvd 1 M ( ) X = M 1 k= 0 log X X k (6) Onde: X k é o k-ésimo blocos de magnitudes de FFT elevado ao quadrado e 2M é o número total de cestos de FFT. A estatística de MVD tem provado ser efetivo na detecção de transientes em algumas aplicações. O MVD parece ser útil para a detecção de queima no processo de retificação (WANG et al, 2001). 4 RESULTADOS O comportamento das estatísticas observadas ao longo de todos os ensaios é parecido, dessa forma será mostrado com maiores detalhes somente o sinal de EA RMS para o ensaio 01. Os gráficos referentes estes sinais podem ser vistos nas Fig (4) e Fig (5).

8 (a) (b) Figura 4 - EARMS referentes às passadas 1 (a) e 12 (b) do ensaio 1 Nota-se, na Figura (4a), que na primeira passada o sinal apresenta-se com irregularidades e níveis elevados principalmente na segunda metade da passada, caracterizando rebolo irregular e sujo, com necessidade de ser dressado. Na Figura (4b) notase que após a remoção de 120 µm de material (12ª passada), o sinal apresenta-se regular, caracterizando rebolo pronto para nova utilização. (a) (b) Figura 5 - EARMS referentes às passadas 13 (a) e 24 (b) do ensaio 1 Nota-se, na Figura (5a), que na décima terceira passada o sinal apresenta-se com algumas irregularidades devido ao ensaio de agressividade realizado, e tais irregularidades não são mais encontradas no gráfico da Fig. (5b), no qual nota-se que após a remoção de 240 µm de material (24ª passada), o sinal apresenta-se regular, caracterizando rebolo pronto para nova utilização. A Figuras (6) à Figura (8) apresentam os gráficos de médias para EA RMS, potência elétrica, MVD, DPO e DPKS.

9 (a) (b) Figura 6 - Médias de (a) EARMS e (b) potência elétrica no ensaio 1 Nota-se nos gráficos da Figura (6) que ambos os sinais aumentam ao longo do ensaio, atingindo a estabilidade por volta da décima passada. A linha horizontal representa a média total da estatística durante as passadas no ensaio em questão. Pode-se observar também que as passadas de número 1 e 13 apresentam níveis mais elevados de EA RMS e potência elétrica do motor que aciona o rebolo, isto se deve à imprecisão no posicionamento do rebolo para a dressagem, dessa forma tais passadas foram excluídas do cálculo da média total no ensaio. Figura 7 - Médias de MVD no ensaio 1 Observa-se na Figura (7) que o gráfico de médias MVD apresenta-se bem regular, variando em torno do valor médio geral, dessa forma, pouco se pode concluir a partir do gráfico de médias de MVD.

10 (a) (b) Figura 8 - DPO (a) e DPKS (b) referentes ao ensaio 1 Observa-se nos gráficos da Figura (8) que as estatísticas DPO e DPKS apresentam comportamentos semelhantes ao longo do ensaio e, assim como o sinal de EA RMS, seu valor aumenta ao longo do ensaio, tornando-se estável por volta da passada de número 10. A partir dos gráficos apresentados pode-se dizer que na passada de número 12 o rebolo já se encontrava regular e pronto para nova utilização, uma vez que as estatísticas já se apresentavam bem regulares. Nos demais ensaios as estatísticas calculadas apresentaram comportamento semelhante, com valores crescentes ao longo do ensaio e estabilizando pouco antes da metade do ensaio, por volta de 100 µm de material removidos. As agressividades estão apresentadas na Figura (9). A barra azul mostra a agressividade no início do ensaio, sem remoção de material, a barra verde mostra a agressividade na metade do ensaio, com 120 µm de material removidos, e a barra vermelha mostra a agressividade no final do ensaio, com 240 µm de material removidos. Figura 9 - Agressividade do rebolo ao longo dos 12 ensaios Nota-se que as agressividades finais do rebolo (barra vermelha), exceto no ensaio 10, está muito próxima às agressividades na metade do ensaio (barra verde), mostrando que com a remoção de 120 µm o rebolo já se encontra dressado e pronto para nova utilização.

11 A Figura (10) apresenta o espectro dos sinais de EA da segunda e última passada do ensaio 1 em três pontos, um referente ao início da passada, outro à metade da passada e outro ao final da passada. (a) (b) Figura 10 - Espectros dos sinais de EA para a 2ª passada (a) e última passada (b) do ensaio 1 Notam-se, nos gráficos da Figura (10), componentes em frequência mais significativas em torno de 50 khz, 100 khz e 150 khz, com exceção do final da segunda passada, em que as componentes em torno de 50 khz e 150 khz mostram-se com menor amplitude. Pode-se notar também que não há mais atividade em frequências acima de 200 khz. O espectro dos sinais de EA para outras passadas e outros ensaios foram semelhantes aos apresentados na Fig. (10). 5 CONCLUSÃO Nos ensaios realizados a partir dos dados de EA puro e potência elétrica calculou-se o sinal RMS de EA, DPO e DPKS os quais se mostraram bons indicadores para o monitoramento da operação de dressagem, mostrando que para recondicionar e definir novas características para o rebolo é necessária a remoção de um total de 120 µm. Nessas condições pode-se concluir que o rebolo está pronto para nova utilização. Pode-se observar também que as estatísticas apresentadas, em geral, aumentam ao decorrer de cada ensaio, isso pode ser atribuído ao arrancamento dos grãos desgastados (com baixa ancoragem na liga) e fratura dos grãos que não se desgastaram por completo e irregularidade do rebolo no início do ensaio, enquanto que após algumas passadas os grãos apresentam maior ancoragem na liga e o rebolo encontra-se mais regular. A estatística MVD apresentou bom resultado na avaliação da medição da passada total, porém na média das passadas apresentou-se bem regular, variando em torno do valor médio geral, dessa forma, pouco se pode concluir a partir do gráfico de médias de MVD, pois não se pode afirmar que o rebolo se encontra em boas condições de utilização. A largura de atuação do dressador (b d ), além do grau de recobrimento (U d ), apresenta grande influência na agressividade do rebolo, uma vez que nos ensaios com U d =2, obtiveramse valores de agressividade semelhantes ao obtido no ensaio 06, com U d =1 e a d =20 µm. Isto se

12 deve aos maiores valores de b d obtidos com o aumento da profundidade de dressagem a d devido à conicidade da ponta de diamante do dressador utilizado. Através desses experimentos, das variações dos parâmetros já citados, foi possível realizar e identificar o controle do desgaste excessivo do rebolo, atingindo assim as características necessárias para a usinagem da peça. Do estudo do espectro do sinal de EA, pode-se observar que as componentes de maior amplitude encontram-se ao redor de 50 khz, 100 khz e 150 khz. Nota-se também que não há mais atividade em freqüências maiores que 200 khz, possibilitando que a aquisição destes sinais seja feita a uma taxa mais baixa. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGUIAR, P. R., BIANCHI, E. C. & OLIVEIRA, J. F. G., A method for burning detection in grinding process using acoustic emission and effective electrical power signals, CIRP Journal of Manufacturing Systems, Paris, Vol. 31, No. 3, pp BIANCHI, E. C., Ação das Condições de Dressagem na Retificação de Precisão. Dissertação de mestrado apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos, USP. COELHO, R.T., Estudo experimental da profundidade de dressagem em rebolos através do método do disco retificado em usinagem de precisão. São Carlos, EESC, USP, 106 p. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. DOTTO, F.R.L., AGUIAR, P.R., BIANCHI, E.C., SERNI, P.J.A., THOMAZELLA, R., Automatic system for thermal damage detection in manufacturing process with internet monitoring. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 28, pp HASSUI, A. & DINIZ, A. E.,2003, Correlating surface roughness and vibration on plunge cylindrical grinding of steel. International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 43, pp INASAKI, I., B. KARPUSCHEWSKI, M. WEHMEIER, Grinding Monitoring System Based on Power and Acoustic emission Sensors - Department of System Design Engineering, Keio University, Yokohama-shi, Japan Received on December 20. LINKE, B., Dressing process model for vitrified bonded grinding wheels, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 57, Issue 1, Pages LIU, J. B., Monitoring the precision machining process: Sensors, signal processing and information analysis, Ph.D. Thesis, University of California at Berkeley, USA. OLIVEIRA, J. F. G., SILVA, E. J., BIFFI M., New Architecture Control System for an intelligent High Speed Grinder. Abrasives Magazine October/November, p. 1-8, 2002.

13 PAULA, W. C. F., Análise de superfícies de peças retificadas com o uso de redes neurais artificiais. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais) - Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Bauru. WANG, Z., WILLETT, P., AGUIAR, P. R., WEBSTER, J, 2001, Neural Network Detection Grinding Burn from Acoustic Emission. International Journal of Machine tools & Manufacture, volume 41, 2001, pp WEBSTER, J.; DONG., W. P.; LINDSAY, R. Raw Acoustic Emission Signal Analysis Of Grinding Process, In: CIRP, Annals of the CIRP, v.45/1/1195, 1996, p