VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012

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1 VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012 OTIMZAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE ÓLEO EMULSIONÁVEL NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO CENTERLESS Everaldo Araujo Dias*, Lincoln Cardoso Brandão**, Marcos Sávio de Souza, Juliano Aparecido de Oliveira, Sergio Luiz Moni Ribeiro Filho, Flavio Bonato Pereira, Simone Aparecida de Melo *Magnetti Marelli Cofap, Distrito Industrial de Lavras, **Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170 São João del Rei, Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170 São João del Rei, Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170 São João del Rei, Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170 São João del Rei, Magnetti Marelli Cofap, Distrito Industrial de Lavras, Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170 São João del Rei, RESUMO O processo de retificação é um dos mais complexos processos de usinagem devido ao fato de apresentar uma ferramenta abrasiva com diversos grãos que são distribuídos aleatoriamente em toda circunferência e superfície do rebolo. Os processos de retificação podem ser classificados em retificação plana, cilíndrica e centerless sendo o último o que apresenta mais complexidade durante a usinagem. O monitoramento de parâmetros de corte como rotação do rebolo de corte rotação do rebolo de arraste e concentração do óleo de corte emulsionável é de vital importância para se tenha um processo robusto e sem falhas. O óleo de corte emulsionável tem importância primordial na retificação centerless para evitar principalmente erros de circularidade e a queima da peça. Este trabalho foi realizado nas linhas de produção de uma empresa de amortecedores. Foram monitoradas a variação da concentração de óleo de corte emulsionável, a rotação do rebolo de corte e a rotação do rebolo de arraste. Uma análise estatística usando ANOVA foi empregada com o objetivo de avaliar a influência dos parâmetros de entrada. Como respostas foram empregadas a Rugosidade Rz, o erro de circularidade e a variação do diâmetro dos corpos de prova. Os resultados demonstram que a variação da concentração do óleo de corte tem grande influência na rugosidade e na variação do diâmetro e que o erro de circularidade é influenciado principalmente pela variação da rotação do rebolo de arraste. PALAVRAS CHAVE: Retificação Centerless, Dressagem, Rebolos de desbaste.

2 INTRODUÇÃO As indústrias de autopeças representam um segmento importante dentro do cenário automobilístico mundial. A crescente competitividade requer constantes esforços para viabilizar os negócios e os trabalhos referentes à redução de custos, melhoria de produtividade e otimização de processos se tornando indispensáveis para melhorar a lucratividade e o fluxo de caixa das empresas. Os processos produtivos bem como os equipamentos necessitam do maior tempo possível de utilização para melhorar a rentabilidade. A busca da melhor relação custo/benefício é imprescindível para garantir a participação no mercado. Dentro deste contexto se destaca o processo de retificação centerless (Hafenbraedl e Malkin, 2001). Uma grande atenção tem sido dada para descrever mais efetivamente e adequadamente o processo de retificação. O processo de retificação é completamente diferente de processos como torneamento e fresamento, por exemplo. As arestas de corte não têm uniformidade e atuam de forma diferenciada sobre a peça retificada (Kwak et al., 2006). Além disso, o processo de retificação tem seis elementos básicos que influenciam na qualidade do produto retificado como, por exemplo, a retificadora, o rebolo ou ferramenta de usinagem, a peça a ser retificada, o fluido de corte, atmosfera envolvente ao processo de retificação e o centelhamento provocado durante o processo de retificação (Marinescu et al. 2007). Os esforços durante a retificação resultam de um número de forças individuais entre a aresta cortante do rebolo e a área de contato da peça. O grão do rebolo possui várias arestas de corte e as forças provenientes do contato da aresta de corte do grão e a superfície da peça resulta nas forças normais e tangenciais, sendo que podemos considerar estas forças como forças uniformemente distribuídas. Isso ocorre, devido ao fato de atualmente o número de parâmetros envolvidos no processo de retificação ainda é limitado e com poucas bases de referência. Normalmente os fatores conhecidos estão associados com a vida do rebolo, os tempos de ciclos, a qualidade da peça retificada. Entretanto, para demonstrar como esses parâmetros podem ser usados e entendidos na maioria das vezes esses parâmetros sãos estudados isoladamente (Marinescu et al., 2004; Malkin, 1989). A observação direta das forças normais e tangenciais na retificação é interessante para compreender o comportamento estático e dinâmico da máquina e do processo. Observou-se também que dependendo da dureza do rebolo ocorre um desgaste da aresta efetiva de corte não provocando um comportamento assintótico na força normal. Neste caso de alta remoção, as forças constantes após a fase de ruptura resultam no efeito de auto-dressagem ou que o desgaste da aresta de corte é menor (Hahn, 1984). Por esta razão o rebolo, em algumas aplicações industriais, é considerado auto-dressável como ocorre no processo de desbaste de hastes na retificação centerless. Como foi citado anteriormente, dependendo da dureza do rebolo, ocorre um desgaste na aresta de corte no grão abrasivo. Ao verificar o processo de fabricação do rebolo foi dada a sugestão de ser realizada uma comparação entre um jogo de rebolo com dois anéis e um jogo com cinco anéis. O objetivo deste trabalho foi aumentar a vida útil dos rebolos através da otimização do processo de fabricação do mesmo. Dentre as etapas do processo de fabricação do rebolo podemos destacar a compactação e queima que são responsáveis pela dureza da peça verde, obtida após a compactação, e pela dureza final obtida após o tratamento térmico. Dentro do contexto de otimização do processo de retificação centerless, é importante salientar que o processo é normalmente utilizado na etapa final da cadeia produtiva. Este processo confere à peça características dimensionais de alta precisão, como por exemplo, circularidade e acabamento superficial com rugosidade baixa em larga escala produtiva; condições dificilmente obtidas por outros tipos de processo como torneamento, fresamento ou furação (Hitchiner e McSpadden (2005). Pode-se considerar de acordo com Souza et al. (2004) o erro geométrico na superfície é afetado por efeitos térmicos e rigidez da máquina ferramenta. Condições empíricas são convencionalmente validadas na prática para definir parâmetros de usinagem. Entretanto, essas condições tornam o processo com alto custo e sem condição de determinar o ponto ótimo de trabalho dos equipamentos (Kwak, 2005; Shaji e Radhakrishnan, 2003). Por ser um processo com alto custo de investimento em equipamentos, instalações e mão de obra qualificada, qualquer perda produtiva pode, em alguns casos, inviabilizar a sua utilização. A complexidade deste processo, conforme pode ser observado na Fig. (1) exige dos profissionais responsáveis pela sua utilização um alto grau de conhecimento para garantir o desempenho esperado. Observando algumas empresas do ramo de fabricação e desenvolvimento de amortecedores verificou-se oportunidades de melhoria nas linhas de produção de hastes retificadas. É importante salientar que as exigências de qualidade por parte da indústria automobilística devem ser analisadas antes de implantar qualquer alteração no processo. A necessidade de agilidade na definição, implantação e utilização dos equipamentos para atender aos prazos de fornecimento impossibilita, em muitos casos, estudos mais profundos de determinados problemas. A carência de comprovações científicas nas empresas pode gerar grandes desperdícios e diminuir a margem de lucro.

3 Figura 1 - Grandezas elementares de uma retificadora centerless de mergulho (Gonçalves e Miranda, 2007) METODOLOGIA Os testes foram realizados em uma retificadora centerless marca CINCINNATI modelo TWIN GRIP RK com 75 Hp de potência. Foram realizados testes com as variáveis de entrada de acordo com a Tabela 1, sendo considerados apenas a rotação do rebolo de arraste, rebolo de corte e a concentração do óleo de corte emulsionável. Foram realizadas cinco operações de dressagem no raio útil do rebolo de corte com distâncias de dressagem regulares. Foi empregado um óleo solúvel emulsionável marca FUCHS-ECOCOOL P1978 com vazão de 130 l/min e faixa de concentração entre 4,2% a 5,9%. Todas as variáveis foram consideradas com três níveis para que a análise ficasse equilibrada. Hastes de amortecedores foram consideradas como corpos de prova, e a concentração de óleo de corte emulsionável foi considerada na entrada do sistema de lubrificação do equipamento, sendo medida antes e depois da medição dos lotes de hastes. Tabela 1 Parâmetros utilizados no experimento Variáveis de Entrada Nível das variáveis de entrada Concentração de óleo [%] 4,2 5,4 5,9 Como respostas foram consideradas a Rugosidade Rz, a variação do diâmetro das hastes e o erro de circularidade. Os valores de rugosidade foram medidos com um Rugosímetro marca Mitutoyo modelo SJ-401 em três pontos eqüidistantes no diâmetro a 120º e no comprimento sendo os pontos inicial, médio e final da haste. As medidas de diâmetro foram realizadas utilizando-se um micrômetro centesimal calibrado especialmente para estes experimentos. A medição de circularidade foi realizada com um equipamento marca Taylor Robson modelo Talyround 131. Cada haste foi considerada como um corpo de prova e os testes foram repetidos por três vezes com os parâmetros da Tabela 1, e novamente replicados em um experimento posterior por mais uma vez para a comprovação dos resultados. Os valores analisados compreendem a média dos três valores de cada repetição realizada. RESULTADOS De acordo com o planejamento experimental realizado com três repetições e três réplicas, podemos analisar os dados usando uma análise de variância de acordo com a Tabela 2. O valor P corresponde a uma análise com 95% de confiabilidade, representando que todo valor encontrado acima de 5% (0,05) deverá ser aceito, pois isto significa que

4 este parâmetro não tem influência nas variáveis respostas encontradas. Assim, através da Análise de Variância, ANOVA, pode-se comprovar, com nível de significância de 95%, a influência da velocidade de corte e da concentração de óleo em relação ao diâmetro nominal. Tabela 2 Análise de Variância para o diâmetro nominal da haste. Causa da variação Concentração de óleo [%] Graus de liberdade Análise de Variância - ANOVA Soma dos Quadrados Quadrado médio Teste F Valor P Decisão 2 0, , ,78 0,003 Rejeita Ho 2 0, , ,35 0,711 Aceita Ho 2 0, , ,78 0,003 Rejeita Ho A Figura 2 é uma representação gráfica da média de cada fator de entrada; rotação do rebolo de corte, rotação do rebolo de arraste e Concentração de óleo de corte emulsionável. Pode-se notar que em relação a variável resposta sendo considerado neste caso o diâmetro nominal das hastes dos amortecedores, a linha de referência centrada descreve a média da variável resposta. Dessa forma, observa-se que a velocidade do rebolo de corte de 1585 RPM representa uma menor variação do diâmetro das hastes, e a velocidade de corte 1682 RPM, a maior variação. Portanto, a maior diferença entre as velocidades está entre 1585 e Aparentemente esta diferença é significativa isto ocorre devido ao fato de rotações menores geram velocidades de corte tangenciais e instantâneas menores, mas queimam menos a peça e desta forma, tem-se um arrancamento mais facilitado no sobrematerial das hastes. Analisando a concentração de óleo de corte emulsionável, observa-se uma diferença significativa entre os valores de 5,1 e 5,4% onde pode-se dizer que valores de concentrações de óleo maiores ajudam o processo de remoção de material e portanto facilitam a diminuição do diâmetro com concentrações intermediárias. Considerando a rotação do rebolo de arraste, temos que a velocidade intermediária de 52 RPM tem uma pequena variação mostrando uma tendência a menores valores de remoção e com isto menor correção do diâmetro. Apesar de a Fig. 2 demonstrar uma tendência a se aplicar uma rotação maior para o rebolo de arraste, podemos afirmar que não existe diferença significativa. Figura 2 Gráfico de efeitos principais para diâmetro nominal das hastes A Figura 3 mostra a média de cada variável de entrada em relação à rugosidade. A velocidade do rebolo de arraste e a concentração de óleo influenciam a rugosidade, como pode ser observado pela análise e o comportamento dos gráficos. Através da Tabela 3, pode-se comprovar, com 95% de confiança, esta influência.

5 Tabela 3 Análise de Variância para rugosidade. Causa da variação Concentração de óleo [%] Graus de liberdade Análise de Variância - ANOVA Soma dos Quadrados Quadrado médio Teste F Valor P Decisão 2 2,579 1,289 4,06 0,045 Rejeita Ho 2 1,579 0,789 1,97 0,182 Aceita Ho 2 2,579 1,289 4,06 0,045 Rejeita Ho A Figura 3 mostra um gráfico com a média de cada valor para os fatores de entrada, rotação do rebolo de corte, rotação do rebolo de arraste e concentração do óleo de corte em relação a rugosidade Rz. Pode-se notar que apenas a concentração do óleo de corte e a rotação do rebolo de arraste têm influência significativa no processo, sendo este fato comprovado com a análise de variância de Tabela 3. Da mesma forma que ocorrei com a variação do diâmetro, a rotação do rebolo de corte mais baixa tem uma influência mais significativa, pois provocam menos queima na peça e consequentemente menor valor de rugosidade. Para a concentração de óleo de corte emulsionável temos que o parâmetro de 5,1 % tem maior influência no processo e, portanto provocam menores valores de rugosidade Rz. A rotação do rebolo de arraste da mesma forma que pode ser observado para a variação do diâmetro, não teve influência sobre a variação da rugosidade Rz como pode ser comprovado no teste da análise de variância na Tabela 3. Figura 3 Gráfico de efeitos principais para Rugosidade Rz. A Figura 4 mostra a interação entre as médias das variáveis de entrada e a circularidade. Observa-se que, ao contrário das demais respostas obtidas nos análise anteriores, apenas a rotação do rebolo de arraste teve uma diferença significativa para a resposta circularidade. Esta diferença foi comprovada pela análise de variância apresentada na tabela 4. Isto pode ser explicado devido ao fato do rebolo de arraste ter pouca influência na rotação da peça no processo de retificação centerless. Assim, pode-se dizer que os erros de circularidade são menores quando temos valores de rotação maiores, pois a rotação do rebolo de arraste aumentada provoca um deslocamento axial maior, devido ao ângulo de inclinação do rebolo, e com isto a peça fica menos tempo dentro do vão de retificação provocando menores erros de circularidade.

6 Causa da variação Concentração de óleo [%] Tabela 5 Análise de Variância para a Circularidade. Graus de liberdade Análise de Variância - ANOVA Soma dos Quadrados Quadrado médio Teste F Valor P Decisão 2 0, , ,58 0,574 Aceita Ho 2 0, , ,06 0,045 Rejeita Ho 2 0, , ,58 0,574 Aceita Ho A Figura 4 mostra que a maior variação encontrada foi para a rotação do rebolo de arraste. Nota-se que esta variação compreende um erro máximo de 0,012 e mínimo de 0,008 micrometros. Mesmo apresentando variações muito pequenas a análise de variância pode definir que existe uma diferença significativa para o parâmetro circularidade quando se considera a variação da rotação do rebolo de arraste. Figura 4 Gráfico de efeitos principais para a Circularidade. CONCLUSÕES Baseado nas informações obtidas nos experimentos realizados com a variação da rotação do rebolo de corte, rotação do rebolo de arraste e concentração do óleo de corte, pode-se afirmar que: Valores menores de rotação do rebolo de corte conjugada com concentrações intermediárias do óleo de corte emulsionável provocam menores variações nos diâmetros das hastes; Para a variação do diâmetro das hastes a rotação do rebolo de arraste não tem influência significativa; Considerando o valor da Rugosidade Rz, pode-se considerar que menores rotações do rebolo de corte somada a concentrações intermediárias do óleo de corte têm maior influência no processo de retificação; Da mesma forma que aconteceu com a variação do diâmetro das hastes, a rotação do rebolo de arraste não tem influência na rugosidade Rz da peça; Analisando o erro de circularidade, podemos afirmar que ao contrário dos outros dois parâmetros de respostas utilizados temos que apenas a rotação do rebolo de arraste tem influência no erro de circularidade das hastes.

7 AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a Magneti Marelli Cofap pela parceria na realização dos experimentos no chão de fábrica e a FAPEMIG pelo apoio financeiro para participação no evento. REFERÊNCIAS 1. Gonçalves, L.M.; Miranda, G.W. 2007, Software Paramétrico para o Processo de Retificação Centerless de Passagem. In.: Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica - CIBIM 8º, Cusco Peru. 2. Hafenbraedl, D.: Malkin, S. 2001, Tecnologia ambientalmente correta para retificação cilíndrica interna. Revista Máquinas e Metais, p , julho. 3. Hahn, R. S., 1984, Application of Force-Adaptive Grinding, SME Technical Paper MR Hitchiner, M.P. and McSpadden, S.B Evaluation of Factors Controlling CBN Abrasive Selection for Vitrified Bonded Wheels. Annals of CIRP.v. 54, 1, G Kwak, J.S Application of Taguchi and response surface methodologies for geometric error in surface grinding process. International Journal of Machine Tools & Manufacture. v.45, pp Kwak, L.S.; Sim, S.B.; Jeong, Y.D An analysis of grinding power and surface roughness in external cylindrical grinding of hardened SCM440 steel using the response surface method. International Journal of Machine Tools & Manufacture, v.46, pp Malkin, S Grinding Technology Book. Ellis Horwood, New York. 8. Marinescu, I.D.; Hitchiner, M.; Uhlmann, E.; Rowe, W.B.; Inasaki, I Handbook of Machining with Grinding Wheels. Taylor & Francis Group, 629 pp. 9. Marinescu, I.D.; Rowe, W.B.; Dimitrov, B.; Inasaki, I Tribology of Abrasive Machining Processes. William Andrew Publishing, Norwich, NY. 10. Shaji, S.; Radhakrishnan, V Analysis of process parameters in surface grinding with graphite as lubricant based on the Taguchi method, Journal of Materials Processing Technology. v.141(1), pp Souza, C.N., Catai, R.E., Aguiar, P.R., Salgado, M.H., Bianchi, E.C., 2004, Analysis of Diametrical Wear of Grinding wheel and Roundness Errors in the Machining of Steel VC 131, Journal of The Brazilian Society of Mechanical Science, Vol. 24, N. 2, pp