ESTUDO DE CONDIÇÕES DA SUPERFÍCIE DE PEÇAS RETIFICADAS POR EMISSÃO ACÚSTICA E CORRENTE ELÉTRICA Luiz Felipe Gilli Fabiano, luiz_gilli@hotmail.com 2. Paulo Roberto de Aguiar, aguiarpr@feb.unesp.br 1. Eduardo Carlos Bianchi, bianchi@feb.unesp.br 2. Rafael Dourado Sodário, rdsodario@hotmail.com 1 Marcelo Marchi, marcelo.marchi@outlook.com 2 1 Elétrica. 2 Mecânica. Resumo: Os processos de usinagem são de extrema importância, uma vez que a maioria das peças metálicas exigem alta precisão e qualidade no acabamento ao serem produzidas por meio destes processos. Dentre os processos de usinagem, o processo de retificação tem um grau elevado de importância, por sua precisão e bom acabamento. É essencial que se conheça bem este processo, já que o mesmo se encontra na última etapa da manufatura. Assim, qualquer problema durante o processo de retificação compromete-se a peça e perde-se o trabalho realizado em todas as etapas anteriores, acarretando em alto custo na produção e perda de matéria-prima. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um estudo comparativo da rugosidade e queima de peças retificadas com parâmetros de emissão acústica (EA) e a corrente elétrica do motor de acionamento da retificadora. Ensaios experimentais foram realizados numa máquina retificadora plana, onde um banco de ensaios foi desenvolvido empregando-se um rebolo de CBN com ligante resinoide e dez peças de um aço VC131. Para a caracterização da superfície das peças foi realizado a inspeção visual e medidas de rugosidade. Os sinais foram aquisitados através de um osciloscópio de alta amostragem e posteriormente tratados com filtros digitais. O valor médio quadrático (RMS) dos sinais de corrente elétrica e emissão acústica foram obtidos e analisados em relação a rugosidade e queima de cada peça. Notou-se nos gráficos obtidos que o aumento da rugosidade bem como a ocorrência da queima da peça possui um relacionamento com aumento da corrente elétrica consumida pelo motor da máquina e com o aumento da emissão acústica da peça. Palavras-chave: Retificação, Rugosidade, Emissão Acústica, Corrente Elétrica 1. INTRODUÇÃO A tendência mundial é produzir peças sempre mais sofisticadas com tolerâncias mais apertadas e com acabamento superficial de alta qualidade (Monici et al., 2006). Diante dessa realidade, a retificação ocupa posição de destaque e é uma das mais importantes operações de usinagem empregada na produção de peças com dimensões mais exatas e de ótimo acabamento, pois sua utilização é tanto para remover sobre metal em peças com geometria especiais quanto para introduzir geometria desejada e propriedades superficiais, que geralmente não poderiam ser obtidas por outros processos convencionais, com geometria definida, ou até mesmo por processos não convencionais de usinagem. A retificação, que já foi considerada somente como uma operação secundária de acabamento, tem sido amplamente empregada em várias etapas de fabricação (Shaw, 1996). Assim, qualquer problema durante o processo de retificação compromete-se a peça e perde-se o trabalho realizado em todas as etapas anteriores, acarretando em alto custo na produção e perda de matéria-prima. Um método para melhorar o processo é a estimação das condições da superfície da peça, por meio do monitoramento dos sinais provenientes do processo de retificação. Sinais de emissão acústica e potência de corte combinados têm sido utilizados com sucesso na determinação de parâmetros indicativos da queima. Estes sinais tratados e combinados podem possibilitar a implementação de um sistema de controle em tempo real da queima, otimizando o processo de retificação (Aguiar et al., 2006). Neste trabalho é aplicado um método que utiliza os sinais de emissão acústica e a corrente elétrica de acionamento do motor da retificadora para estudar as condições da superfície da peça quanto a queima e rugosidade. 1.1. Retificação Segundo Malkin (1989), retificação é a designação para processos de usinagem que utilizam partículas abrasivas duras como o meio de corte. Isto é, o material é removido por meio da ação de grãos abrasivos que possuem alta dureza e que apresentam arestas que possuem formas e orientação irregulares.
Os métodos de retificação são todos similares. Geralmente é um rebolo que é pressionado contra uma peça com uma força perpendicular à zona de contato, e assim, o material é removido da interação peça e a ferramenta (Lindsay, 1995). Segundo Durgumahanti et al., (2010), as vantagens relacionadas ao custo, assim como a qualidade final das peças viabilizam e incentivam o desenvolvimento de novas tecnologias, além da criação de novos métodos de acabamento. Para a melhor produtividade do processo de retificação, é necessário otimizar os parâmetros envolvidos, a fim de que todo o potencial possa ser aproveitado. Sendo, ainda de acordo com os autores, a retificação um processo muito complexo, com diversas variáveis dependentes entre si. Pesquisas têm sido conduzidas no que concerne à modelagem com base em diferentes parâmetros, tais como temperatura, força de corte, rugosidade, etc. As principais vantagens da retificação são: elevada exatidão das peças e a usinagem de materiais duros e frágeis. Mas apesar dessas vantagens, esse processo não é isento de problemas, sendo os mais comuns nas operações os danos térmicos na peça, difícil controle da rugosidade superficial, vibrações excessivas e desgaste prematuro da ferramenta abrasiva (Marinescu et al., 2007). 1.2. Rugosidade A rugosidade é representada pelas micro-irregularidades geométricas da superfície do material usinado. Hecker e Liang (2003) afirmam que ela é representada em função da distância entre os picos e vales existentes na superfície. Assim, pode-se medir a rugosidade pela média aritmética dos valores absolutos dessa distância (rugosidade Ra, mais utilizada), pelo valor quadrático médio dessa distância (rugosidade Rq) ou ainda pelo valor máximo da mesma (rugosidade Rt). Hecker e Liang (2003) afirmam que a rugosidade é um parâmetro eficiente e indispensável para mensurar a qualidade superficial produzida. Sua importância nos processos de usinagem reside no fato de que o acabamento superficial de uma peça pode afetar significativamente a resistência dos componentes quando são submetidos a ciclos de fadiga. Malkin (2008) define que a qualidade superficial é dividida em dois aspectos: Integridade superficial - influenciada pelas solicitações mecânicas e térmicas que a peça é submetida; Textura da superfície - caracterizada pela topografia da peça e está associada à rugosidade. Há várias formas de diminuir a rugosidade de uma peça. Dentre essas, pode-se enumerar a escolha do tipo de rebolo, das condições de dressagem (afiação), dos parâmetros de usinagem (a taxa de remoção de material, o tempo de centelhamento, entre outros) e do tipo de fluido de corte. Ramesh et al. (2001) afirmaram que há uma tendência de redução da rugosidade com o aumento da velocidade de corte. Já para Huang et al. (2003), a velocidade de corte não afeta significantemente a rugosidade, quando o modo de remoção dominante é por fratura frágil. 1.3. Monitoramento do processo de retificação O desenvolvimento de um sistema de monitoramento e controle em tempo real é de fundamental importância para automação do processo de usinagem, de modo que seja possível estabelecer o momento da troca de uma ferramenta, realizar mudanças nos parâmetros de operação e, portanto, visar a otimização do processo (Aguiar, 2009). Segundo Malkin (2008), a retificação gera uma grande quantidade de energia. Essa liberação de energia resulta em ondas de tensão que se propagam através do material. Com isso, define-se a emissão acústica (EA) como sendo ondas elásticas transientes geradas por uma rápida liberação de energia de uma fonte localizada no material, quando submetido a um estado de tensão (Ravindra et al., 1997). Inasaki (1990) caracteriza ainda a EA como uma energia resultante da interação entre o grão abrasivo e a peça, que se propaga através da estrutura do material. Desse modo, ela pode ser relacionada com a energia específica de retificação, a qual também é uma forma de energia associada ao processo. Com isso, é possível caracterizar a atividade de remoção de material e obter a condição da ferramenta e da qualidade da peça (Stephenson et al, 2006). Aguiar (1997) afirma ainda que a técnica de emissão acústica pode ser usada para detectar o desgaste, queima e colisão do rebolo. De acordo com Xue et al. (2002), confirma-se através de uma série de experimentos, que o sensor de emissão acústica é um mecanismo eficiente no monitoramento da dressagem tanto quanto para o processo de retificação, além de ajudar na obtenção de uma superfície topograficamente uniforme do rebolo. Por outro lado, o consumo da potência de usinagem e as forças de retificação são parâmetros característicos da transferência de energia na área de contato (Brinksmeier et al., 1998). De acordo com Kwak & Ha (2004), a potência de usinagem tem sido usada como uma forma de monitoramento do processo de retificação. Chen et al. (1996) reportaram que o efeito das condições de retificação na força de corte e potência está relacionado com a espessura do cavaco, e observou-se que a força de corte e potência podem estar relacionadas com a operação de dressagem, considerando a densidade efetiva das arestas de corte na superfície do rebolo.
2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Procedimento dos ensaios Ensaios experimentais foram realizados numa máquina retificadora tangencial plana, onde um banco de ensaios foi desenvolvido, empregando-se um rebolo de CBN com ligante resinoide, 14AI V180 B126, e dez peças de aço VC131, com dimensões de 98,58 mm de comprimento por 8,74 mm de largura. O fluido de corte utilizado foi emulsão água-óleo de 4% de concentração, sendo o óleo, do fabricante Shell, tipo DMS 3200 F-1. No processo de dressagem do rebolo foi utilizada uma ferramenta de dressagem conglomerada, ou seja, de múltiplas pontas de diamante para perfilamento do mesmo. Durante os ensaios foram adotadas dez profundidades de corte sendo elas 5 µm, 10 µm, 15 µm, 20 µm, 25 µm, 35 µm, 45 µm, 65 µm, 120 µm e 175 µm, conforme tabela 1. A velocidade do rebolo e das peças foram mantidas constantes, respectivamente, 32,42 m/s e 0,124 m/s. Na caracterização da superfície das peças foram realizadas a inspeção visual e medidas de rugosidade. Tabela 1: Profundidade de corte Peça 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª 9ª 10ª Profundidade 5µm 10µm 15µm 20µm 25µm 35µm 45µm 65µm 120µm 175µm Para a coleta dos sinais puros de EA foi utilizado um sensor de emissão acústica da empresa Sensis, consistindo de um sensor fixo ao suporte da peça com módulo processador de sinais do mesmo fabricante modelo DM-42. Para a medição da corrente elétrica foi utilizada uma garra amperimétrica fabricada pela tektronics, modelo A621, cuja mesma foi instalada no cabo de alimentação do motor trifásico do rebolo de 380 V e 7,5 cv, modelo CFW, fabricado pela WEG. A partir disso os sinais foram aquisitados através de um osciloscópio de alta amostragem, modelo DL850, da empresa Yokogawa, com frequência de amostragem de 2 MHz e posteriormente tratados com filtros digitais, conforme figura 1. Para a medição da rugosidade foi utilizado um rugosímetro digital, modelo Surtronic 3+, fabricado pela Taylor Robson, adotando a rugosidade Ra para o experimento. Figura 1: Representação esquemática do banco de ensaios 2.2. Processamento digital dos sinais Foi realizado uma passada do rebolo sobre o corpo de prova, nas profundidades de corte definidas, sendo uma profundidade para cada corpo de prova. Os sinais de emissão acústica e corrente elétrica foram coletados em cada uma das passadas. Realizou-se o processamento digital dos sinais filtrados, com um filtro digital butterworth, passa-baixa de quinta ordem cuja frequência de corte foi 300 khz, através do MATLAB, obtendo-se o valor RMS para cada passada de usinagem em intervalos de 2048 amostras dos sinais, o que equivale o cálculo de um valor RMS para cada 1 milissegundo. Na sequência, foram calculados os valores médios e desvios padrão do sinal RMS relacionados somente à região de corte. Para os valores de rugosidade medidos nas superfícies das peças, foi calculado a média e desvio padrão referentes as medidas realizadas ao longo de cada peça, a fim de se estudar o seu comportamento ao longo das profundidades de corte empregadas. Ao final foi gerado gráficos correlacionando os sinais de EA e corrente elétrica com a rugosidade das peças e com a imagem da superfície das mesmas para a verificação da queima.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Observa-se na figura 2 e 3 que ocorre um aumento da rugosidade das peças após uma profundidade de corte de 25µm. O sinal de emissão acústica possui uma tendência de acordo com a rugosidade das peças, conforme a figura 2. Infere-se que o valor RMS da EA pode ser usado para o monitoramento da rugosidade da peça para o aço e rebolo empregados neste trabalho. Figura 2: Relação da rugosidade com a emissão acústica em cada peça A figura 3 mostra o comportamento da corrente elétrica do motor de acionamento do rebolo. Observa-se que, conforme a rugosidade aumenta os valores de corrente elétrica também aumentam, mostrando um relacionamento interessante para o monitoramento desse importante parâmetro. Desta forma, pode-se inferir que o monitoramento da corrente elétrica fornece informação importante da rugosidade da peça retificada com aço e rebolo utilizados neste trabalho. Portanto, esse monitoramento possibilita conhecer se a peça permanece ou não dentro das especificações de tolerância desejada. Figura 3: Relação da rugosidade com a corrente elétrica em cada peça
Foi realizado também uma análise de queima da superfície da peça retificada, conforme mostra a figura 4. Observouse que as peças de um a quatro não apresentaram queima e foi verificado que a rugosidade das peças manteve-se dentro de uma faixa de valores compreendida entre as peças 1 e 6. A partir da peça cinco começou a ocorrer queima leve com rugosidade ainda dentro da faixa mencionada. Os valores de rugosidade começaram a sair dessa faixa a partir da peça sete. Observa-se, no entanto, que as peças 5 a 7 já houve a ocorrência de queima, embora leve, mas com valores de rugosidade considerados relativamente baixos. Assim, a partir desta análise infere-se que a queima leve não leva necessariamente a um valor alto de rugosidade. Isto não ocorre para a ocorrência de queima severa, peças 8 a 10, pois os valores de rugosidades observados são significativamente mais altos. 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª 9ª 10ª Figura 4: Inspeção visual das superfícies das peças retificadas Assim, os sinais de emissão acústica e corrente elétrica mostraram uma tendência aproximada, ou seja, ambos possuem a mesma tendência de crescimento conforme os valores de rugosidade aumentam. 4. CONCLUSÃO Com o estudo referente ao processo de retificação e acabamento final das peças, conclui-se que os sinais de emissão acústica e corrente elétrica, do motor de acionamento do rebolo da retificadora, possuem uma boa relação com a rugosidade e queima das peças. Pelo fato da não linearidade observada entre as variáveis estudadas, o emprego de técnicas de inteligência artificial pode ser atrativa na estimação da rugosidade e da ocorrência da queima. Outra abordagem a ser futuramente explorada no presente trabalho é o estudo do conteúdo harmônico do sinal de EA, buscando-se faixas de frequências que melhor representem as condições estudadas.
5. REFERÊNCIAS Aguiar, P.R. Monitoramento da queima superficial em processo de usinagem por retificação usando a potência elétrica do motor de acionamento e emissão acústica. Tese de Doutorado - USP, São Paulo, SP, Brasil, 1997. Aguiar, P. R. et al. (2009). Monitoring the dressing operation in the grinding process. International Journal of Machining and Machinability of Materials, 5, 3 22. Aguiar, P. R.; Bianchi, E. C.; Serni, P. J. A.; Dotto, F. R. L. In-process grinding monitoring through acoustic emission. Journal of Brazilian Society of Mechanic Science & Engineering. Vol.28, No.1, pp. 118-124, 2006. Brinksmeier, E., Tönshoff, H. K., Czenkusch, C. & Heinzel, C., Modeling and optimisation of grinding process, Journal of Intelligent Manufacturing, Vol. 9, pp. 303 314, 1998. Chen, X., Rowe, B., Mills, B. & Allanson, D. R., Analysis and simulation of the grinding process. part III: comparison with experiment, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 36, No. 8, pp. 897 906, 1996. Durgumahati, U. S. P.; Singh, P.V.; Rao, V. A New Model for Grinding Force Prediction and Analysis. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Is 50, p 231 24, 2010. Hecker, R.L. & Liang, S. Y. (2003). Predictive modeling of surface roughness in grinding. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 43(8), 755 761. Retrieved from http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/s0890695503000555 Huang, S. Artificial neural networks in manufacturing: concepts, applications and perspectives. In: Manufacturing Technology, Part A. [S.l.]: [s.n.], v. 17, 1994. p. 212-228. Inasaki, I. - Monitoring and optimization of grinding process. CIRP Annals -Manufacturing Technology, vol. 40, 1990 Kwak, J. S., Ha, M. K. (2004). Neural network approach for diagnosis of grinding operation by acoustic emission and power signals. Journal of Materials Processing Technology, 147 n1, 65 71. Lindsay, R. P. Principles of grinding. Metals handbook: machining. 9.ed. Nova York; ASM International, 1995. Malkin, S. (1989). Grinding technology: theory and applications of machining with abrasives. Society of Manufacturing Engineers. Malkin, S. - Grinding Technology: Theory and Applications of Machining with Abrasives. 2ª ed., Industrial Press Inc., New York, 2008. Marinescu, I. D.; Hitchner M.; Uhlmann E.; Rowe, W. B.; Inasaki, I. - Handbook of Machining with Grinding Wheels, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2007. Monici, R. D.; Bianchi, E. C.; Catai, R. E.; Aguiar, P. R., Analysis of the different forms of application and types of cutting fluid used in plunge cylindrical grinding using conventional and superabrasives CBN grinding wheels. International Journal of Machine Tools & Manufacture: Design, Research and Application. Vol. 46, pp.122-131, 2006. Ramesh K.; Yeo S. H.; Gowri S.; Zhoul L. - Experimental Evaluation of Super High Speed Grinding of Advanced Ceramics, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2001, vol. 17, p. 87 92. Stephenson D.J., Sun X., Zervos C., - A study on ELID ultra precision grinding of optical glass with acoustic emission, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 46 (2006), p. 1053 1063. Shaw, M. C., Principles of abrasives processing. Oxford Science on Advanced Manufacturing, New York, USA, 1996. Xue L., Naghdy F., Monitoring of wheel dressing operation for precision grinding, IEEE ICIT 02, 2002, 1296-1299.
STUDY OF CONDITIONS OF SURFACE THE GRINDING PARTS BY ACOUSTIC EMISSION AND ELETRIC CURRENT Luiz Felipe Gilli Fabiano, luiz_gilli@hotmail.com 2. Paulo Roberto de Aguiar, aguiarpr@feb.unesp.br 1. Eduardo Carlos Bianchi, bianchi@feb.unesp.br 2. Rafael Dourado Sodário, rdsodario@hotmail.com 1 Marcelo Marchi, marcelo.marchi@outlook.com 2 1 Elétrica. 2 Mecânica. Abstract: Machining processes are extremely important, because the majority of metallic parts require high precision and quality in the finish to be produced by these processes. Among the machining process, the grinding process has a high degree of importance, for its accuracy and good finish. It is essential to know well this process, since it is in the last stage of manufacturing. So any problem during the grinding process is committed to piece and lose the work done in all previous steps, resulting in high cost in production and loss of raw material. This study aims to develop a comparative study of roughness and burning parts rectified with acoustic emission parameters and electrical current from the grindind machine drive motor. Experimental tests were performed on a flat grinding machine, where a test bench was developed by employing a CBN wheel with resinoid binder and ten pieces of a VC131 steel. To characterize the surface of the parts visual inspection and roughness measurements were made. The signals were aquisitados through a high sampling oscilloscope and subsequently treated with digital filters. The root mean square (RMS) of the signs of electrical current and acoustic emission were obtained and analyzed for roughness and burning each piece. It was noted that the plots corresponding increase in surface roughness and the occurrence of burning the workpiece has a relationship with an increase of the electric current consumed by the machine's engine and with an increase in acoustic emission workpiece. Keywords: Grinding, roughness, Acoustic Emission, Electric Current