OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO DE SUPERLIGAS COM REBOLO CBN VITRIFICADO

Transcrição

1 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO DE SUPERLIGAS COM REBOLO CBN VITRIFICADO Marcelo Biffi TRW Automotive Ltda. - Av. Alexandre de Gusmão, 1125 Capuava Santo André São Paulo CEP: F: (11) marcelobiffi@hotmail.com João Fernando Gomes de Oliveira Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos. Av. Trabalhador Sãocarlense, 400 Núcleo de Manufatura Avançada NUMA OPF F: (16) jfgo@sc.usp.br Resumo: Apresenta o estudo de otimização do processo de retificação CBN de superligas, compreendendo a determinação dos parâmetros de dressagem e dos parâmetros de retificação, além do estudo de desgaste do rebolo para diferentes condições de retificação. O presente estudo tem por objetivo orientar a escolha dos parâmetros de processo a fim de reduzir o desgaste da ferramenta e obter a melhor qualidade na retificação de diferentes materiais utilizando rebolos de CBN com ligante vitrificado. Sendo assim, se determinou o melhor conjunto de parâmetros de dressagem os quais possibilitaram a obtenção da melhor rugosidade e integridade superficial nos materiais retificados, além da obtenção dos valores de G do rebolo para diferentes condições de retificação. Com isso, concluiu-se que os parâmetros de dressagem apresentam grande influência no desempenho da retificação CBN a alta velocidade, principalmente na qualidade e integridade superficial das peças retificadas. Palavras-chave: Dressagem, Rebolos cbn, Retificação em alta velocidade. 1. INTRODUÇÃO Atualmente, em meio as exigências de qualidade e produtividade impostas aos componentes retificados pelo mercado globalizado, a retificação em alta velocidade utilizando rebolos de CBN vitrificados mostra-se como alternativa aos processos de retificação convencional, principalmente em produtos onde o acabamento superficial é importante (Johnson et al, 1988; Jackson et al, 2001). Diversos autores apontam as vantagens dos grãos de CBN em relação aos grãos convencionais (Mahar, 1992; Carius, 1999; Bailey at al, 1998; Redington et al, 1998). Entre as principais vantagens citadas pode-se destacar a maior dureza dos grãos, maior resistência à fratura, maior condutividade térmica e maior resistência à abrasão, além de outras. A figura 1 apresenta as principais características dos grãos abrasivos de CBN (Nitreto Cúbico de Boro). Contudo, o sucesso da aplicação desse tipo de ferramenta segundo Werber et al (1989), depende das seguintes condições : Eixo com alta potência; Mesas, mancais e suportes com alta rigidez; Comando CNC; Sistema de refrigeração com alta vazão e pressão; Sistema de balanceamento de rebolo integrado;

2 Sistema de com alta rigidez e de alta freqüência; Etc. Figura 1 - Principais propriedades dos grãos abrasivos de CBN. Entretanto, devido ao fato dos rebolos CBN vitrificados poderem ser dressados, ou seja, terem suas características topográficas alteradas de acordo com a necessidade de cada operação, torna a operação de dressagem do rebolo a mais importante para o sucesso da aplicação dessa tecnologia. Ao longo dos anos, devido à grande importância dessa operação, vários pesquisadores tem-se dedicado a entender tal processo (Takagi et al, 1990; Tönshoff et al, 1993; Klocke et al,1995; Takagi et al, 1996; Tönshoff et al, 2001). Contudo, o aumento do números de aplicações de rebolos de CBN nas indústrias cresceu somente após o uso de métodos de monitoramento do desempenho do processo de retificação. Nesses casos uma das grandezas mais utilizadas é a emissão acústica (EA), onde a partir de sua aquisição e tratamento, diversos sistemas como por exemplo sistemas de gap-less, sistemas de anticolisão, dressagem automática, etc., puderam ser utilizados com grande eficiência (Oliveira et al, 1998; Filho et al, 1999; Oliveira et al, 2001; Dornfeld et al, 1984). Atualmente, com a evolução dos sistemas computacionais para aquisição de dados, o tratamento dos sinais de emissão acústica tornou-se mais fácil e rápido, e utilizando-se disso, sistemas mais avançados de monitoramento como por exemplo o sistema de visualização da superfície ativa do rebolo apresentado por Gomes (2001) tornou-se viável. Com isso, o objetivo deste trabalho é determinar as condições id eais de dressagem dos rebolos CBN vitrificado, otimizar a operação de retificação para as superligas e utilizar o sistema proposto por Gomes (2001) no monitoramento das operações. 2. MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E METODOLOGIA EXPERIMENTAL Neste trabalho dois experimentos foram realizados. Um para determinar os parâmetros ideais de dressagem e outro para determinar o desgaste do rebolo CBN vitrificado em diferentes condições. Para tanto, foi utilizada uma retificadora cilíndrica CNC Zema G800, equipada com um sistema de

3 dressagem de alta freqüência da Universal Co., que utiliza discos diamantados eletrolíticos como dressadores. A tabela 1 resume os materiais e equipamentos utilizados nos ensaios. DESCRIÇÃO Retificadora cilíndrica Rebolo Dressador Corpos de prova Tabela 1 Materiais e equipamentos. 2.1 Determinação dos parâmetros ideais de dressagem DADOS TÉCNICOS Modelo ZEMA G800 Rotação máxima do rebolo (vs) 120m/s Potência máxima disponível (P disp ) 20cv Comando CNC GE Fanuc 18iT Rotação máxima do dressador 5760 rpm B V (408 x 136 x 15mm) Disco diamantado eletrolítico (130 x 25,4 x 1mm) Válvulas para motor de combustão interna Tipo I material: 40 Cr Mo V 4.7 Tipo II material: Pyromet 31 Tipo III material: Stellite Nesse experimento foram realizados dezoito ensaios, sendo que o rebolo foi dressado em três condições de velocidade de dressagem (vd), e seis condições de relação de velocidades (q d ) distintas. Cada ensaio consistiu de um ciclo de dressagem, e a retificação consecutiva de três corpos de prova com velocidade de avanço (vf) de 2mm/min, profundidade de dressagem (a d ) de 0,5mm, velocidade periférica do rebolo (v s ) de 100m/s, velocidade periférica do corpo de prova (v w ) de 0,35m/s e tempo de alisamento de 5s. Em cada ciclo de dressagem foram executados três passes completos com profundidade de 2µm no diâmetro. Os corpos de prova retificados nesse ensaio foram os do Tipo III, conforme a tabela 1. Como resultado avaliou-se a rugosidade superficial média dos corpos de prova retificados. Avaliou-se também o sistema de mapeamento topográfico do rebolo proposto por Gomes 2001, para visualizar a superfície do rebolo CBN vitrificado ao longo dos passes de dressagem. O esquema de monitoramento esquematizado na figura 2 foi utilizado da seguinte forma: os sinais de EA, captados pelo sensor de EA e processados pela unidade de EA, e os sinais de rotação do rebolo eram adquiridos e enviados ao módulo de I/O (entradas e saídas) da placa de aquisição de dados (A/D). Com isso, o software de geração de imagens captava e sincronizava esses sinais disponibilizados pela placa A/D em tempo real, e construía as imagens 3D da superfície ativa do rebolo. Figura 2 Sistema de aquisição e geração de imagens do sistema de mapeamento topográfico do rebolo.

4 2.2 Determinação do desgaste do rebolo CBN vitrificado Nesse experimento foram realizados cinco ensaios utilizando os três corpos de prova em diferentes velocidades de avanço. A tabela 2 mostra a matriz experimental desses ensaios. Nr. Ensaio Tabela 2 Matriz experimental dos ensaios de desgaste. Corpo de prova Nr. de corpos de prova v s [m/s] V w [m/s] v f [mm/min] Tempo de alisamento [s] 1 Tipo III , Tipo I , Tipo II , Tipo I , Tipo I , Como resultado desse experimento, avaliou-se a rugosidade dos corpos de prova ao longo de cada ensaio, a circularidade dos corpos de prova após a retificação e os valores de G para cada situação. 3. RESULTADOS A partir dos ensaios de dressagem foi levantada uma curva relacionando a relação de velocidades (qd), três diferentes valores de velocidade de dressagem (vf) e a rugosidade final da peça retificada. Essa curva é mostrada na figura 3. Figura 3 Rugosidade da peça em relação à qd e vd. À partir da curva da figura 3, observa -se que esta segue o mesmo comportamento apresentado pelos rebolos convencionais na dressagem concordante com rolos diamantados. É visto que a velocidade de dressagem tem grande influência na geração da característica topográfica do rebolo, ou seja, quanto maior é a velocidade de dressagem mais aberta fica a estrutura do rebolo e maior é a agressividade do rebolo observada. Outro ponto observado é quanto a relação de velocidades entre o

5 disco dressador e o rebolo. Nesse caso quanto mais próximas de um são os valores de qd, mais agressiva a superfície do rebolo se torna após a dressagem. Portanto, com base nessa curva e levandose em conta a mínima remoção de material do rebolo por passe de dressagem (0,002mm no diâmetro), é possível determinar a melhor combinação entre os parâmetros de dressagem, os quais permitam alcançar as exigências de qualidade superficial das peças retificadas com rebolos de CBN vitrificado. Porém, só a determinação da curva de agressividade do rebolo em função dos parâmetros de dressagem não é suficiente para garantir a qualidade da operação de dressagem, ou seja, garantir que a geometria do rebolo foi alcançada nos subsequentes passes de dressagem, ou se os defeitos superficiais do rebolo foram removidos. Contudo, a fim de evitar passes de dressagem desnecessários é importante acompanhar a evolução da dressagem através de um sistema de monitoramento on-line do processo. A figura 4 mostra a evolução dos mapas topográficos da superfície do rebolo ao longo dos passes de dressagem após um acidente acontecido durante a retificação de um corpo de prova nas condições do ensaio 5 mostrado na tabela 2. [a] [b] Figura 4 [a] Detalhe do defeito superficial do rebolo, [b] Mapas topográficos da dressagem do rebolo. No detalhe da figura 4a, é possível observar o defeito apresentado na superfície do rebolo. Esse defeito foi gerado á partir da vibração excessiva da peça quando em retificação. Contudo, através do sistema de mapeamento da superfície do rebolo (figura 4b), foi possível se observar nitidamente a magnitude do defeito apresentado pelo rebolo, bem como determinar o número de passadas de dressagem ótima, a fim de remover a quantidade mínima de material do rebolo. A figura 4b, mostra que ao longo da dressagem, com a eliminação de material do rebolo, a profundidade do defeito vai sendo minimizada até o ponto onde ao longo de toda a largura do rebolo, esse não apresente nenhuma região escura, ou seja, não apresente nenhuma falha. O gráfico da figura 4b é formado à partir do sincronismo dos sinais de emissão acústica (EA) emanados do processo de retificação e com os sinais de rotação do rebolo. Com isso, é possível associar a posição angular do rebolo com a amplitude do sinal de emissão acústica. Assim, com o contato do dressador com a superfície do rebolo, cada grão abrasivo atingido pelos diamantes emana um sinal de EA que é convertido em imagem, através de um ponto luminoso no gráfico. Ao longo da dressagem o rebolo gira diversas vezes, sendo que a composição das n voltas do rebolo formam a imagem 3D da superfície ativa do rebolo. Na prática, na maioria dos casos observa-se a característica luminosa das imagens para determinar avaliar possíveis problemas no rebolo. Nesses casos, quanto mais clara se encontra uma dada região da imagem, maior é a amplitude do sinal de EA, ou seja, maior é a interação entre o rebolo e o dressador nessa região e vice-versa.

6 Com base nos dados obtidos nos ensaios acima, observou-se o comportamento do rebolo CBN de liga vitrificada na retificação de três tipos de materiais diferentes. Avaliou-se nesses casos a rugosidade superficial e a circularidade dos corpos de prova após a retificação de acordo com as condições apresentadas na tabela 2 mostrada anteriormente. As figuras 5, 6 e 7 mostram os resultados de rugosidade superficial e circularidade em relação ao volume de material retificado. Figura 5 - Comportamento do material Stellite na retificação com rebolo CBN vitrificado. Figura 6 - Comportamento da material 40Cr Mo V 4.7 retificado com rebolo CBN vitrificado. Figura 7 - Comportamento da material Pyromet 31 retificado com rebolo CBN vitrificado.

7 Comparando os gráficos das figuras 5, 6 e 7, pode-se concluir que os materiais retificados apresentam diferentes graus de usinabilidade, uma vez que mantendo-se constantes as condições de dressagem e os parâmetros de retificação os níveis de rugosidade superficial variaram para os três materiais. Observou-se também que, na retificação dos três materiais ocorre a tendência de crescimento da rugosidade superficial com o aumento do volume de material retificado, fato esse justificado pelo aumento do volume de material impregnado no rebolo, que causa o aumento do atrito entre o rebolo e a superfície da peça. Outro fato importante e que deve ser destacado é que quanto maior o teor de ferro existente na microestrutura do material menor são os níveis de rugosidade superficial e menor é a tendência de seu crescimento com o aumento do volume de material retificado. Os valores de circularidade obtidos na retificação dos três materiais com rebolo CBN não são muito conclusivos uma vez que são muito dispersos e aleatórios. A amplitude e a dispersão dos valores de circularidade medidos devem-se à má fixação da peça, que nos experimentos foram fixadas com placa de três castanhas, e ao desbalanceamento do rebolo. A análise harmônica e o gráfico de circularidade mostrados na figura 8a e 8b respectivamente justificam o problema. [a] Figura 8 [a]análise harmônica, [b] Gráfico de circularidade de um corpo de prova. Da figura 8a observam-se três picos principais (2,3, 40 Upr) no perfil da harmônica. O pico de 2Upr define o erro de forma de ovalização, gerado por um possível aquecimento excessivo da zona de retificação, o pico de 3Upr caracteriza também um erro de forma, porém, esse por sua vez, gerado pela má fixação gerada pela placa de três castanhas. Nesse caso existe uma tendência do perfil da peça sai de circular para uma forma triangular. O pico de 40Upr caracteriza um pequeno desbalanceamento apresentado pelo rebolo quando em rotação elevada. A influência dos três picos observados na análise harmônica pode ser visto na figura 8b. Outro parâmetro analisado neste trabalho foi o desgaste do rebolo através do parâmetro G (Vw/Vs), que é descrito pela razão entre o volume de material retificado (Vw) e o volume de rebolo gasto no serviço (Vs). Esse parâmetro avalia o volume de rebolo gasto em relação ao volume de material retificado. A figura 9 apresenta os resultados. [b]

8 Figura 9 Comparação do desgaste do rebolo CBN vitrificado em função do material retificado e parâmetros de retificação. Através da figura 9, é possível observar que a velocidade de avanço do rebolo apresenta influência direta no desgaste do rebolo CBN vitrificado. Contudo, apesar do desgaste 8% maior com o aumento da velocidade de avanço de 2 para 8mm/min ocorre um aumento de quatro vezes da taxa de produção da máquina. Então, em ambientes de produção deve ser levando em conta que quanto maior é a taxa de produção desejada maior é o desgaste do rebolo. Observa-se também na figura 9 que os valores de G dos três materiais diferem em proporções relativamente grandes. Nesse caso, o teor de ferro contido na microestrutura da superliga também apresenta grande influência no desgaste do rebolo, ou seja, quanto mais ferro existente menor o desgaste do rebolo, e quanto maior é o teor de níquel pior é o rendimento do rebolo na operação de retificação em alta velocidade com rebolos CBN vitrificados. 4. CONCLUSÕES Através do presente trabalho foi possível chegar as seguintes conclusões: O monitoramento on-line da dressagem do rebolo através de imagens mostra-se muito eficiente para a detecção do contato entre o rebolo e o dressador, bem como, para otimizar o número de passes de dressagem e reduzir a profundidade de dressagem. A redução da rugosidade superficial da peça através da redução da relação de velocidades qd é válida até o valor de 0,33 aproximadamente. Abaixo deste valor ocorre novamente o aumento da rugosidade superficial das peças retificadas. A fixação de peças de precisão com placa de três castanhas não mostra-se como um opção adequada para a retificação em alta velocidade com rebolos CBN vitrificados. Quanto menor é o teor de níquel na microestrutura do material melhor é o acabamento superficial da peça, e ao contrário, quanto maior é o teor de níquel pior. A composição química do material tem grande influência no desgaste do rebolo na retificação com CBN vitrificado, tendo pior rendimento quando o material é constit uído de grandes quantidades de níquel. O desgaste do rebolo não é proporcional ao aumento da velocidade de avanço do rebolo, proporcionando assim, grande margem para melhoria da produtividade da operação de retificação.

9 5. REFERÊNCIAS Bailey, M. W, Juchem, H. O., 1998, The advantages of CBN grinding: low cutting forces and improved workpiece integrity, Industrial Diamond Review, v.58, n.578, p Dornfeld, D; Cai, H. G., 1984, An Investigation of Grinding and Wheel Loading Using Acoustic Emission, ASME, v.106, p Filho, N.M., Coelho, R.T., Oliveira, J.F.G., 1999, Analysis of dressing performance using single crystal diamond dressers,, Industrial Diamond Review, v.59, n.581, p Gomes, J. J.F., 2001, Identificação em processo de mecanismos de desgaste de rebolos, Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. Jackson, M. J.; Davis, C. J.; Hitchiner, M.P.; Mills, B., 2001, High-speed grinding with CBN grinding wheels applications and future technology, Journal of Material Processing Technology, v.110, p Johnson, G., Ratterman, E., 1998, Enhanced Product Performance Through CBN Grinding, Journal of Gear Manufacturing, v.5, n.5. Klock, F.; König, W., 1995, Appropriate Conditioning Strategies Increase the Performance Capabilities of Vitrified-Bond CBN Grinding Wheels, Annals of the CIRP, v.44/1, p Mahar, R. L., 1992, Grinding with Superabrasives, Modern Grinding Process Technology, 1.ed, McGraw-Hill, cap.5, p Oliveira, J.F.G, Felipe, J., Coelho, R.T., Gomes, J.J.F, 1998, Intelligent Grinding System (IGS): High Reliability and Automation Level In Precision Grinding, Abrasives Magazine, v. june-july/98. Oliveira, J.F.; Dornfeld, D.A., 2001, Application of AE Contact Sensing in Reliable Grinding Monitoring, Annals of the CIRP, p Redington, P., Sullivan, W. J., 1998, What about CBN?, Manufacturing Engineering Society SME, v. 10/98, p Takagi, J.; Fukuda, T.; Subramanian, K., 1990, Sharpness Control of Vitrified-bonded CBN Wheel Face by Precision Rotary Truer, Proceedings of the First International Conference on New Manufacturing Technology, Annals... Chiba, Takagi, J.; Liu, M., 1996, Fracture Characteristics of Grain Cutting Edges of CBN Wheel in Truing Operation, Journal of Materials Processing Technology, v.62, p Tönshoff, H.K, Heuer, W., 1993, Conditioning of CBN Wheels, Industrial Diamond Review, v.53, n.556, p Tönshoff, H. K.; Friemuth, T.; Dirk H., 2001, Crushing Process for Vitreous Bonded CBN and Diamond Grinding Wheels, Production Engineering, v.8/1, p Werner, G.; Tawakoli, T., 1988, High-efficiency Deep Grinding with CBN, Industrial Diamond Review, v.48, n.526, p OPTIMIZATION OF SUPERALLOYS GRINDING PROCESS USING VITRIFIED CBN WHEEL Marcelo Biffi TRW Automotive Ltda. - Av. Alexandre de Gusmão, 1125 Capuava Santo André São Paulo CEP: F: (11) marcelobiffi@hotmail.com João Fernando Gomes de Oliveira Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos. Av. Trabalhador Sãocarlense, 400 Núcleo de Manufatura Avançada NUMA OPF F: (16) jfgo@sc.usp.br

10 Abstract: The present work shows the optimization study of superalloys CBN grinding process, comprehending the dressing and grinding parameters determination, besides the wheel wear study to different grinding situations. The aim of this study is direct the process parameters pick out, so as to reduce wheel wear and improve the surface quality for different materials when grinding with vitrified CBN wheels. At this, the best dressing parameters were chosen, resulting in a better roughness, superficial integrity and improving the G values for different superalloys. Concluding form the presented, the dressing parameters have a great influence in the high speed CBN grinding process performance, mainly in the surface qua lity as roughness and superficial integrity of the superalloys parts. Keywords: Dressing, CBN wheel, High speed grinding.