V Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

V Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
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
(Ud) e profundidade de dressagem (ad) 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
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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
(ad), largura de trabalho (bd), largura do rebolo (bs) e o passo de dressagem (Sd). 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, Wt) 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)
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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 (Ud) é a relação entre a largura de atuação do dressador (bd) e o passo
de dressagem (Sd), conforme a expressão:
Ud =
bd
Sd
(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 (ad), implica numa largura de atuação de dressagem
(bd) 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 (Ud) e profundidades de dressagem (ad), 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).
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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:
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(2)
Onde:
K = Agressividade
Fn = Força normal de retificação
b = largura do disco
r = raio do disco
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 PCI6111E, 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
Entrada
02
Ganho de
Entrada
60
Ganho de
Sinal
60
Redução de
Ruído
05
Filtro
Passa-Alta
50 kHz
Filtro PassaBaixa
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).
Tabela 2-Dados dos ensaios realizados
Ensai
o
Ud
ad
(µm)
bd
(µm)
Vd
( m/s)
n
(rpm)
01
02
03
04
2,0
1,5
1,0
2,0
10
10
10
20
152,3
132,3
165,0
188,9
2,2845
1,6460
4,9500
2,8335
334
386
714
412
Diâmetro do
rebolo
(mm)
314,5
314,3
314,0
315,0
Número de
Passadas
24
24
24
12
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05
06
1,5
1,0
20
20
195,6
172,3
3,9120
5,1690
566
745
315,2
315,5
12
12
07
08
09
10
11
12
2,0
1,5
1,0
2,0
1,5
1,0
40
40
40
60
60
60
136,9
229,0
240,9
255,2
277,0
254,9
3,5535
4,5800
7,2270
3,8280
5,5400
7,6470
515
661
1038
554
798
1098
316,9
316,7
316,4
316,2
314,8
315,7
06
06
06
04
04
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).
EARMS
1 t
1 N
2
2
=
AERMS (τ ) ⋅ dτ =
AE RMS
(i )
∑
∫
T t −T
T i =1
(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
RMS.
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 )
(4)
Onde:
S(EA) é o desvio padrão do sinal de emissão acústica por passada,
MAX(POT) é a potência máxima por passada.
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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 =m

DPKS =  ∑ ( POT (i ) − S ( POT )) 4  * S ( EA)
 i =1

(5)
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;
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).
1
Tmvd ( X ) =
M
X 
log
∑
 
k =0
 Xk 
M −1
(6)
Onde:
Xk 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 EARMS para o
ensaio 01. Os gráficos referentes estes sinais podem ser vistos nas Fig (4) e Fig (5).
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(b)
(a)
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.
(b)
(a)
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 EARMS, potência
elétrica, MVD, DPO e DPKS.
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(b)
(a)
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 EARMS 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.
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(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 EARMS, 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.
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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 (bd), além do grau de recobrimento (Ud), apresenta
grande influência na agressividade do rebolo, uma vez que nos ensaios com Ud=2, obtiveramse valores de agressividade semelhantes ao obtido no ensaio 06, com Ud=1 e ad=20 µm. Isto se
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deve aos maiores valores de bd obtidos com o aumento da profundidade de dressagem ad
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.
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