AULA 31 PROCESSO DE RETIFICAÇÃO: GENERALIDADES

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1 AULA 31 PROCESSO DE RETIFICAÇÃO: GENERALIDADES

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3 PROCESSO DE RETIFICAÇÃO: GENERALIDADES Introdução Abrasão é definida como sendo a operação de remover partículas de um material por atrito contra outro material que será quase sempre mais duro que o primeiro. Esta ação de esfregar uma peça contra outra para modificar sua forma geométrica ou afiá-la, pertence ao instinto do homem primitivo. A importância nas operações de abrasão reside no fato de que elas corrigem os defeitos das operações precedentes, como ocorre nos processos de usinagem. Segundo a padronização brasileira ABNT PB 26 denomina-se ferramenta abrasiva aquela com formas e dimensões definidas constituída de grãos abrasivos ligados por aglutinante (ou aglomerante). Por outro lado, as arestas cortantes (gumes) são geometricamente indefinidas. A ferramenta abrasiva com a forma de superfície de revolução adaptável a um eixo é denominada rebolo abrasivo. Não são considerados rebolos abrasivos rodas ou discos de metal, madeira, tecido, papel, tendo uma ou várias camadas de abrasivos na superfície. Durante a operação de corte ou desbaste, são os grãos abrasivos que realizam a remoção de material da peça. Eles se desgastam durante o trabalho, perdendo a capacidade de corte. Isto exige que o grão se quebre ou se solte, expondo novas arestas de corte (importante para a autoafiação da ferramenta). Desta forma, para que possam remover material, os grãos abrasivos devem ser: muito duros, para que mantenham arestas cortantes afiadas (vivas) por muito tempo; termicamente estáveis, para resistir às altas temperaturas de usinagem; quimicamente estáveis diante das altas temperaturas e pressões de usinagem, na presença de ar, fluido de corte e material da peça. Dependendo do processo de usinagem de acabamento, os grãos abrasivos agem diferentemente na interação aresta de corte/material, podendo ser por: energia, posição, força ou trajetória, Figura Figura 31.1 Princípio de ação dos grãos abrasivos em operações de acabamento.

4 240 Utilizam-se abrasivos unidos por um ligante nos seguintes processos de usinagem: retificação, superacabamento, brunimento fino (honing) e lixamento. Utilizam-se abrasivos soltos nos seguintes processos: lapidação, jateamento, tamboreamento e polimento. A retificação 1 é o processo de usinagem abrasiva que apresenta maior emprego na indústria. Caracteriza-se pela remoção de material da peça pela ação conjunta de grãos abrasivos ativos. A impossibilidade de definir geometricamente as arestas cortantes das ferramentas abrasivas levou ao nome de usinagem com arestas de geometria não definida. É um processo geralmente utilizado para as operações de acabamento de peças. Principais características: possibilidade de obtenção de tolerâncias apertadas (dimensionais entre IT4 e IT6 e geométricas compatíveis) e de baixas rugosidades (R a = 0,2~1,6 m); baixa capacidade de remoção de cavaco. Muitas das peças usinadas têm a retificação como a última operação de uma ou várias de suas superfícies. Assim, a retificação é um processo de usinagem por abrasão que requer bastante atenção, pois se a peça for danificada nesta etapa (acabamento), todo o custo acumulado nas operações anteriores não poderá ser recuperado. A retificação tem por objetivo: reduzir rugosidades ou saliências e rebaixos de superfícies usinadas com máquinas-ferramenta, como furadeira, torno, plaina, fresadora. dar à superfície da peça a exatidão de medidas que permita obter peças semelhantes que possam ser substituídas umas pelas outras. corrigir peças ligeiramente deformadas durante um processo de tratamento térmico. remover camadas finas de material endurecido por têmpera, cementação ou nitretação. Até bem pouco tempo atrás, a retificação, por ser um processo abrasivo de usinagem, era um dos únicos processos utilizados em peças que já haviam sido endurecidas por tratamento térmico (acima de 40 HRC). Atualmente, parte destas operações, principalmente as realizadas em superfícies de revolução, tem sido substituída por outros processos, como o torneamento de acabamento em materiais endurecidos, por exemplo. Este fato se explica pelo surgimento de materiais de ferramentas (como o material cerâmico e o CBN) que podem ser usados no torneamento duro e também devido à melhoria das características de projeto e construção das máquinas-ferramenta. O torneamento tem substituído o processo de retificação cilíndrica externa (e às vezes interna) em muitos processos produtivos que exijam tolerância dimensional na casa de IT5. Por outro lado, novos desenvolvimentos têm ocorrido com o processo de retificação: a) novos materiais para ferramentas (CBN e diamante como material do grão abrasivo do rebolo); b) projeto mecânico mais moderno da máquina (mancais e guias hidrostáticas, mecanismo de compensação da deformação térmica etc.). Assim, pode-se dizer que o espaço que a retificação tem perdido para outros processos, sempre que a ordem de tolerância é IT5 ou maior, tem sido recuperado em situações onde as classes de tolerâncias são mais apertadas, como IT4 ou menor. A ferramenta de retificação é denominada rebolo. O rebolo é um corpo (em geral, cilíndrico) formado pelo material aglomerante, cuja função é reunir os inúmeros e pequenos grãos abrasivos que vão entrar em contato com a peça e realizar a usinagem. Assim, cada grão abrasivo retira uma quantidade minúscula de material da peça (por isso o processo é chamado de abrasivo), o que confere à retificação a possibilidade de obtenção de tolerâncias bastante apertadas. 1 Retificar significa corrigir irregularidades de superfícies de peças.

5 Movimentos e Grandezas A formação do cavaco no processo de retificação se dá de maneira diferente dos demais processos de usinagem, já que a abrasão é fator fundamental na retirada de cavaco. O rebolo é uma ferramenta com grande quantidade de arestas cortantes distribuídas de forma aleatória; cada grão, ao entrar em contato com a peça, possibilita a formação de cavaco muito pequeno. Na retificação a aresta de corte percorre uma trajetória definida para dentro da peça (Fig. 31.2). Figura 31.2 Fases da formação do cavaco na retificação. Na figura 31.2, o ângulo entre a aresta cortante e a superfície da peça é muito pequeno no início, devido ao formato da aresta, ao raio do rebolo e à penetração passiva. Inicialmente, a aresta penetra na peça, gerando deformações elásticas do material. Em seguida, inicia-se a fase de deformações plásticas. O material da peça é forçado para os lados formando uma espécie de rebarba. Além disso, o material pode ser forçado por debaixo da aresta de corte na direção da superfície de incidência. A formação do cavaco tem início no momento em que a aresta penetra na peça em uma espessura de cavaco não deformada (h cu ) igual à penetração de início de corte (T μ ). No decorrer do processo, uma parte do material da peça continua sendo forçada para as laterais, além de haver a formação de cavaco. A eficiência da remoção de material é determinada através do quanto da espessura não deformada de cavaco (h cu ) é transformada em cavaco e o quão grande é a espessura efetiva de usinagem (h cu eff ). As fases da formação do cavaco na retificação (Fig. 31.2) são definidas por três regiões, a saber: Região 1. Quando o grão começa a atritar com a peça ele causa, primeiramente, deformação elástica na pequena porção de material tocada por ele (escorregamento do grão). Região 2. Ao prosseguir no seu caminho na peça, as tensões vão aumentando e, então, o grão passa a causar deformação plástica em outra pequena porção do material (riscamento). Região 3. Continuando o crescimento das tensões, a tensão de ruptura do material à frente do grão é ultrapassada e acontece a extração de uma pequena porção de material (remoção do cavaco).

6 242 Esse tipo de formação de cavaco, aliado à alta velocidade do grão abrasivo (maior que a velocidade de corte em processos como o torneamento em cerca de 10 vezes), geram o seguinte: As forças radiais (normais) são bem superiores às forças tangenciais, pois o atrito prevalece sobre a força de corte. Altas temperaturas de corte são desenvolvidas (1000 a 1600 C). Como o tempo de exposição a essa temperatura é muito curto (da ordem de milésimos de segundo), é possível que o material atinja e supere sua temperatura de fusão sem se fundir. A energia total requerida para o processo de retificação é da ordem de 2 a 20 vezes maior que para outros processos de usinagem, para o mesmo volume de cavaco removido na unidade de tempo. Como em outros processos, quase toda esta energia se transforma em calor. A energia mecânica empregada no processo é resultado do produto do comprimento total usinado e dos componentes das forças nessa direção. Na zona de corte e de atrito, a energia mecânica é transformada, na maior parte, em energia térmica. Isso ocorre devido às deformações plásticas, ao corte do material, e ao atrito do cavaco com o ligante e com as superfícies de incidência e de saída (Fig. 31.3a). Em números médios, 85% do calor gerado vão para a peça, 5% para o cavaco e 10% para o rebolo. O calor que vai para o rebolo não causa dano considerável, pois o rebolo é de material refratário, na maioria das vezes é bem grande e tem bastante área para dissipar calor. O calor que vai para o cavaco também não causa preocupações. O problema maior está no calor que vai para a peça, já que esta recebe a maior parcela de calor (Fig. 31.3b). Tal calor pode determinar mudanças estruturais na superfície da peça, que na maioria das vezes já recebeu o tratamento térmico. Além disso, pode gerar erros de forma e dimensão na peça, o que é muito grave, pois, em geral, a retificação é o último processo de usinagem sobre a superfície, aquele que proporciona as dimensões finais da peça (determina sua qualidade). Por isso, existe a necessidade de utilização de meio lubrirrefrigerante de maneira abundante e eficiente. Também, as condições de usinagem e as características do rebolo devem ser tais que atenuem este problema. (a) (b) Figura 31.3 Conversão e distribuição de energia na região de corte: (a) zonas de deformação e atrito; (b) parcelas do calor gerado.

7 Parâmetros do processo Um dos parâmetros do processo de retificação mais utilizados é a chamada espessura de corte equivalente (h eq ), calculada pela Equação (31.1): v p h eq a (31.1) v c onde: a = v p = v c = profundidade de usinagem (a p ) na retificação cilíndrica longitudinal, profundidade de penetração (a e ) na retificação plana tangencial ou avanço por volta (f) na retificação cilíndrica de mergulho; velocidade da peça; velocidade de corte (velocidade do rebolo). A espessura de corte equivalente (h eq ) representa fisicamente a espessura de material que os grãos removem. O aumento de h eq, seja pelo aumento de a ou de v p ou pela diminuição de v c, causa aumento dos esforços de corte e da rugosidade da peça e diminuição da vida do rebolo. Por isso, sempre se procura ter rebolos cujas ligas suportem altas velocidades, pois, quanto maior a velocidade do rebolo (v c ), maior a sua vida, melhor a rugosidade e menores os esforços de corte. Outro parâmetro interessante de ser definido é a espessura máxima do cavaco (h max ), mostrada na Figura 31.2 pela linha BC. Figura 31.2 Cinemática da formação do cavaco. Pode-se comprovar matematicamente que h max pode ser dada pela Equação (31.2): onde d é o diâmetro da peça cilíndrica sendo retificada. v a h p max (31.2) v d c A análise da Equação (31.2) gera algumas considerações interessantes: Quando a profundidade de usinagem a é aumentada, a espessura máxima do cavaco h max também aumenta, mas não na mesma proporção: quando a dobra, h max aumenta 1,414 vezes.

8 244 Se a velocidade do rebolo v c cresce, h max diminui, os esforços de corte diminuem e a vida aumenta. Assim, diz-se que a dureza do rebolo aumenta, pois é capaz de resistir a mais esforços, já que v c reduziu os esforços. Porém, o acréscimo de v c está limitado pelo tipo de liga do rebolo. Se a velocidade da peça v p diminui, h max diminui e, assim, os esforços sobre os grãos serão menores, a vida do rebolo aumenta e o rebolo se comporta como mais macio. A área de contato rebolo/peça é de grande interesse. Para um determinado esforço no sentido radial do rebolo, tem-se uma pressão específica de corte que é função inversa do comprimento de contato rebolo/peça. A pressão rebolo/peça é repartida sobre os grãos abrasivos de forma que, quanto maior o comprimento de contato, maior o número de grãos a suportar o esforço e menor a pressão que cada grão deverá suportar. O rebolo parece mais duro, pois quão menor o esforço sobre o grão, mais difícil é removê-lo do rebolo. Assim, se o comprimento de contato cresce, pode-se aumentar a porosidade do rebolo e o tamanho dos grãos. Com isso, diminui-se o número de grãos do rebolo todo, mantém-se o número de grãos em contato com a peça e permite-se uma melhor dissipação do calor gerado, já que uma maior porosidade permite liberar mais facilmente o cavaco e favorecer a ação do refrigerante. Assim, quanto maior a área de contato rebolo/peça, maior deve ser o tamanho do grão e o rebolo deve ser mais macio e mais poroso Máquinas-Ferramentas (Retificadoras) A retificadora é a máquina-ferramenta empregada na usinagem de peças para dar às suas superfícies uma exatidão maior e um melhor acabamento que os conseguidos em máquinas operatrizes convencionais. Os materiais ou peças em geral precisam ser submetidos a tratamento térmico (têmpera) para serem retificados. Há basicamente três tipos de retificadora: plana, cilíndrica universal e cilíndrica sem centros ( centerless ). Quanto ao movimento, em geral, podem ser manuais, semiautomáticas e automáticas. No caso da centerless, ela é automática, pois é utilizada em produção seriada. A ferramenta de corte utilizada na retificadora é o rebolo. Existem vários tipos e formas, adequados ao trabalho de retificação que se deseja fazer e, principalmente, à natureza do material a ser retificado. Para que a superfície apresente exatidão dimensional e bom acabamento, é necessário levar em conta os tipos de material a usinar, de trabalho a ser feito e de granulação e aglomerante do rebolo. Há varias formas de fixar a peça. Pode-se fixá-la diretamente a mesa ou com transpassadores (no caso de peças de formato irregular). Outro modo de fixar a peça à mesa da retificadora é por meio de uma mesa de seno magnética. Em geral ela é utilizada na usinagem de superfícies inclinadas. É possível também fazer a fixação da peça à mesa por meio de uma morsa retificada. Trata-se de uma forma de fixação utilizada na retificação de materiais não ferrosos. Além dessas, uma das fixações mais comuns é a feita por meio de placas magnéticas. Trata-se de uma fixação utilizada para retificar peças de materiais ferrosos, que tem a propriedade de serem atraídos por imãs. Retificadora Após a preparação da máquina (limpeza, balanceamento, fixação do rebolo escolhido e dressagem), inicia-se a remoção de material pelo processo de retificação Retificadora plana Esse tipo de máquina retifica todos os tipos de superfícies planas: paralelas, perpendiculares ou inclinadas. Nesta máquina, a peça é presa a uma placa magnética, fixada à mesa. Durante a usinagem, a mesa desloca-se em um movimento retilíneo da direita para a esquerda (e vice-versa), fazendo com que a

9 245 peça ultrapasse o contato com o rebolo em aproximadamente 10 mm. Há também o deslocamento transversal da mesa. O movimento transversal, em conjunto com o longitudinal, permite uma varredura da superfície a ser usinada. O valor do deslocamento transversal depende da largura do rebolo. Na prática, utiliza-se 1/3 da largura do rebolo para operações de desbaste e 1/10 para operações de acabamento. Esta retificadora pode ser tangencial de eixo horizontal (Fig. 31.3a) e de topo de eixo vertical (Fig. 31.3b). (a) (b) Figura 31.3 Retificadoras planas: (a) tangencial (horizontal); (b) de topo (vertical). Na retificadora plana tangencial de eixo horizontal, utiliza-se um rebolo cilíndrico (tipo reto plano). Na retificadora plana vertical, utiliza-se um rebolo tipo copo ou anel, cuja superfície de corte tem, em sua parte plana, a forma de coroa circular. Além disso, pode-se também utilizar um rebolo de segmentos Retificadora cilíndrica universal Esta máquina retifica superfícies cilíndricas, externas ou internas e, em alguns casos, superfícies planas em eixos rebaixados que exijam faceamento. A peça é fixa, por exemplo, a uma placa universal como a utilizada no torno, que é dotada de um movimento de rotação. O rebolo em movimento de rotação entra em contato com a peça e remove o material (Fig. 31.4a). Esta operação tem a finalidade de dar fino acabamento a superfícies de pelas cilíndricas, com exatidão de medidas. Com esta máquina podem ser executadas operações de retificação externa e interna de superfícies cilíndricas e cônicas Retificadora cilíndrica sem centros (Centerless) Esse tipo de retificadora é muito usado na produção em série. A peça é conduzida pelo rebolo de corte e pelo rebolo (disco) de arraste (ou regulador). O giro do rebolo de arraste é lento e serve para imprimir movimento à peça e para produzir o avanço longitudinal. Por essa razão, o rebolo de arraste possui uma inclinação longitudinal de 1 a 5 graus, que é responsável pelo avanço da peça (Fig. 31.4b) Retificadora CNC As retificadoras CNC, em geral, são máquinas cilíndricas universais desenvolvidas para atender as pequenas, médias e grandes produções de peças de alta precisão dimensional e geométrica através de operações de retificação externa e interna de superfícies cilíndricas e cônicas (Fig. 31.5).

10 246 (a) Figura 31.4 Retificadora cilíndrica: (a) universal; (b) sem centros (centerless). (b) (a) Cilíndrica Externa Numerika (b) Cilíndrica Interna Intertronika (c) Cilíndrica Universal Pratika Figura 31.5 Exemplos de retificadoras CNC Zema