VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

VI Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica
UTILIZAÇÃO DO (MQL), NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO EM CERÂMICA
AVANÇADA COM REBOLO DIAMANTADO COM LIGANTE RESINO CERÂMICO
Wesley Rodrigues do Nascimento
Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru
Prof. Dr. Eduardo Carlos Bianchi
Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru
RESUMO
O meio ambiente tem se tornado um dos assuntos mais importante dentro do
contexto atual, pois a poluição e os resíduos industriais, que são prejudiciais à saúde do ser
humano, despertam cada vez mais a atenção das autoridades públicas. Dessa forma, as
indústrias, universidades e centro de pesquisas são influenciados a pesquisar métodos
alternativos menos prejudiciais ao meio ambiente. O uso do fluido de corte, por exemplo, tem
sido constantemente estudado para que este possa ser substituído ou utilizado na mínima
quantidade possível. Dentre as alternativas, destaca-se a usinagem a seco e a utilização da
mínima quantidade de lubrificante (MQL). Este último pode ser utilizado também em adição
de água e consequentemente com um volume menor de fluido de corte. Este trabalho
pretende, portanto, estudar o comportamento da técnica de mínima quantidade de lubrificante
(MQL) com água no processo de retificação de cerâmicas com rebolo diamantado com ligante
resino - cerâmico. Este estudo será feito através da análise da avaliação das variáveis de saída
do processo de retificação externa como o comportamento de força tangencial de corte,
emissão acústica, energia específica, rugosidade, relação G (volume de material
removido/volume de rebolo desgastado), desvio de circularidade e microscopia eletrônica de
varredura (MEV). Através dos resultados obtidos, pretende-se avaliar a técnica do MQL com
água, interpretando-a como um método alternativo de usinagem menos agressivo ao meio
ambiente.
PALAVRAS-CHAVE: Rebolo Resino - Cerâmico, MQL, Cerâmica.
1. INTRODUÇÃO
Ultimamente a cerâmica tem se tornado um material que ganha cada vez mais espaço
dentro das indústrias, devido à suas características de elevada dureza e rigidez, em
contraponto aparece o alto custo agregado ao acabamento da peça. O processo de retificação é
o mais utilizado para a usinagem deste material. A viabilidade econômica e a competitividade
de cerâmicas de alto desempenho dependem de forma relevante da eficiência do processo de
retificação.
Durante a formação dos cavacos no processo de retificação, grande parte da energia
gerada é convertida em calor, causando altas temperaturas na região de corte que podem
causar danos térmicos às peças e comprometer sua integridade superficial, com o surgimento
de fissuras, distorções, tensões residuais elevadas e não-conformidades dimensionais
(Kovacevic & Mohan, 1995). O uso de lubrificantes no processo de retificação, dessa forma,
torna-se praticamente indispensável. Além da função de lubrificação e de refrigeração, o
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fluido de corte ainda remove os cavacos gerados durante a usinagem. A usinagem a seco,
deste modo, tem desvantagens no produto final, pois pode resultar em um aumento excessivo
da temperatura; e o atrito entre a ferramenta e a peça poderá prejudicar o acabamento
superficial desta. Porém possui a vantagem de descartar a utilização do fluido de corte que é
prejudicial à saúde do ser humano e ao meio ambiente, além de não ter gastos com a compra e
o descarte deste.
A técnica da mínima quantidade de lubrificante (MQL) torna-se, então, um método
alternativo que se baseia no princípio de utilização total do óleo de corte sem resíduos; ou
seja, com baixo fluxo do fluido de corte que é aplicado a elevadas pressões. A função de
lubrificação é assegurada pelo óleo e a de refrigeração, mesmo que pequena, pelo ar
comprimido. Esta técnica também pode ser utilizada com adição de água, o que aumenta o
poder de refrigeração que é bom não somente pela precisão dimensional, mas também pelo
fenômeno de adesão entre a ferramenta e a face de trabalho.
2. OBJETIVOS
O principal objetivo deste trabalho é analisar a técnica da mínima quantidade de
lubrificante (MQL) com adição de água, em relação à MQL tradicional sem adição de água,
no processo de retificação de cerâmicas utilizando rebolo diamantados com ligante resino cerâmico, analisando a força tangencial de corte, emissão acústica, energia específica,
rugosidade, relação G, desvio de circularidade e microscopia eletrônica de varredura (MEV).
Pretende-se também avaliar a porcentagem de diluição óleo/água no processo da MQL com
água que obtém melhor resultado final no processo de retificação.
Também fazem parte dos objetivos deste trabalho, visando a melhor qualificação
técnica e humana, os seguintes itens:
Introduzir o aluno no ambiente de ciência e tecnologia, possibilitando seu
•
contato inicial com metodologias de pesquisa, principalmente no que diz respeito à revisão
bibliográfica e a condução de experimentos técnicos e contato com empresas nacionais;
Incentivar o aprimoramento das tecnologias de usinagem por abrasão e
•
racionalização na aplicação dos fluidos de corte, aplicadas no meio universitário e industrial;
Promover uma maior interação entre universidade/empresa com o objetivo de
•
incrementar os índices de qualidade, produtividade e competitividade de ambos, tendo como
interface os conceitos teóricos e práticos;
Produzir artigos científicos objetivando a divulgação através de congressos
•
científicos e/ou revistas especializadas dos resultados obtidos na expectativa de que as
indústrias possam utilizar os resultados e contribuir para a melhoria da qualidade e
produtividade com menor impacto ambiental, pela racionalização da aplicação do fluido de
corte;
Colaborar na formação interdisciplinar do aluno, com vista na inserção social
•
do projeto;
Fomentar uma maior integração entre pesquisadores, alunos de iniciação
•
científica e alunos de pós-graduação;
Promover uma maior integração entre as diversas áreas do conhecimento e
•
entre alunos de outras universidades, fazendo assim, com que se diminuam as distâncias entre
os centros de pesquisa.
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3. JUSTIFICATIVA PARA A REALIZAÇÃO DESTE PROJETO
A retificação é um processo em que a temperatura atingida durante a usinagem é
muito elevada devido ao contato das diversas arestas de corte existentes no rebolo com a
superfície da peça. Dessa forma, a refrigeração é extremamente importante no processo de
retificação. Porém os fluídos de corte têm se tornado um problema para as indústrias atuais,
devido à fiscalização ambiental que obriga que este seja descartado seguindo às normas
apropriadas, o que acrescenta um custo que pode chegar a até 30 vezes o valor da compra do
mesmo.
Processos alternativos de refrigeração têm sido estudados ultimamente a fim de
minimizar a quantidade de lubrificante utilizado. O estudo do processo de mínima quantidade
de lubrificante (MQL) com água tem sido desenvolvido atualmente, porém a literatura sobre
este assunto ainda é muito escassa, principalmente no processo de retificação. Portanto este
trabalho tem o intuito de contribuir para a pesquisa desse método de lubrificação no processo
de retificação externa de cerâmicas utilizando rebolos diamantados. As proporções de diluição
de óleo e água (1:1; 1:3; e 1:5) são propostas para que se possa verificar qual a melhor relação
em relação ao calor específico de cada componente da mistura ar, óleo e água. A questão do
impacto ambiental é relevante neste caso, á que se utilizará ainda menos fluido de corte.
Com relação rugosidade da peça os resultados obtidos com os métodos com adição
de água obtiveram valores menores de rugosidade do que o MQL tradicional. O OoW (1:1) foi
o que obteve a tendência de melhor resultado, cerca de 35% maior que o convencional e 20%
menor que o MQL tradicional. Isto se deve a uma melhor capacidade de refrigeração em
comparação ao MQL tradicional, já que a água na forma de névoa tem maior poder de
refrigeração. Entretanto, ao se aumentar a proporção de água, observa-se a tendência da
elevação dos valores de rugosidade, o que ocorre devido a perda de capacidade de poder
lubrificação, já que a proporção de óleo é menor.
Quando foi utilizado o OoW (1:3), os valores de rugosidade média tenderam a se
elevar; no entanto, considerando a dispersão dos resultados obtidos, pode-se afirmar que não
há diferença significativa entre o OoW (1:1) e o OoW (1:3).
Quanto ao erro de circularidade para os valores de circularidade, o método
convencional também obteve a tendência dos menores resultados para todos os valores de
velocidade de mergulho ensaiados.
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Os métodos OoW (1:1) e OoW (1:3) apresentaram resultados menores que o MQL
tradicional; porém, são em média similares ao convencional para a velocidade de mergulho de
. O OoW (1:5) apresentou valores excessivamente elevados de de circularidade ultrapassando
inclusive o MQL. Pode-se observar que para avanço de 0,25mm/rev, obteve-se valores
similares ao método convencional, tanto para OoW (1:1), quanto para OoW (1:3). Para as
velocidades de 0,5mm/rev e 0,75mm/ver, o OoW (1:1) obteve resultados menores, cerca de
3,4% maior que o método convencional para 0,5mm/ver, e cercade 20% maior para
0,75mm/ver. Isto ocorre pelo fato de que para os maiores valores de velocidade de avanço, e
considerando a respectiva elevação da taxa de remoção, o quesito lubrificação é mais
significativo do que o refrigeração, já que o tempo de contato entre peça e rebolo é menor e,
consequentemente, estes permanecem expostos por menor tempo à alta temperatura de
retificação. Já o MQL apresentou resultados médios de 12%, 41% e 49% maiores que o
método convencional para as velocidades de 0,25mm/rev, 0,5mm/rev e 0,75mm/rev
respectivamente.
De acordo com os resultados de desgaste diametral do rebolo observa-se que para
todas as velocidades de mergulho o MQL foi a técnica que obteve os maiores valores de
desgaste, cerca de 28% maior que a convencional para velocidade de avanço de 0,25mm/rev,
25% maior para 0,50mm/rev e 14% maior para 0,75mm/rev.
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No método de MQL as diluições de OoW se comportaram de forma diferenciada.
Para a menor velocidade de avanço o menor desgaste da superfície de corte do rebolo foi para
o OoW (1:5), cerca de 34% menor que o método convencional. Para a maior velocidade de
avanço, o menor desgaste foi da diluição OoW(1:1), cerca de 29% menor que o convencional
e para velocidade intermadiária, os valores foram próximos, sendo ainda o OoW(1:5)
levemente menor, cerca de 21% menor que o convencional. Observou-se que para menores
velocidades de avanço, em que o tempo de contato entre peça e rebolo é maior e,
consequentemente, o tempo em que estes estão expostos à altas temperaturas durante a
retificação. Assim, a presença da água em maior proporção diminuir o desgaste do rebolo,
devido ao melhor poder de refrigeração em relação a lubricação; ou seja, a refrigeração é mais
relevannte do que a lubrificação. Para a maior velocidade de avanço, a lubrificação é mais
relevante do que a refrigeração. O tempo de contato rebolo/peça é menor; porém, o esforço de
corte tende ser maior pela elevação da taxa de remoção de material.
Assim, motivados pelos resultados já obtidos e considerando que estes são, pelo que
é do nosso conhecimento, inéditos na literatura internacional, desejamos dar continuidade ao
projeto já realizados, estudando o comportamento do rebolo diamantado com ligante resino cerâmico na retificação de cerâmicas avançadas.
3.1 Justificativa da parceria entre a UNESP de Bauru e a UNICAMP
Este projeto de pesquisa está sendo submetido a FAPESP para viabilizar a parceria
em pesquisa entre a UNESP de Bauru e a Faculdade de Engenharia de Fabricação da
UNICAMP, na pessoa do Prof. Dr. Anselmo Eduardo Diniz.
Já existe o apoio da CAPES pela aprovação de um projeto submetido ao PROCAD,
Edital PROCAD 01/2007 - Projeto de Incentivo a Formação de Recursos Humanos em Pósgraduação em Engenharia Mecânica. Projeto No 228/2007. No entanto os recursos financeiros
disponibilizados pelo PROCAD não são suficientes para atender a demanda de recursos
necessários para o desenvolvimento dos projetos que estão sendo propostos; assim, estamos
solicitando os recursos do presente projeto via auxílio à pesquisa da CAPES para viabilizar
a sua execução.
4. FENOMENOLOGIA DE CORTE NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO
4.1. Alguns conceitos sobre a fenomenologia de corte com ferramentas abrasivas
e parâmetros de avaliação do desempenho
A capacidade de remoção de material de uma determinada ferramenta utilizada na
retificação de peças cilíndricas está diretamente relacionada com as características dos grãos
abrasivos que a compõem. Tais ferramentas utilizam ligantes para a fixação dos grãos, sendo
que estes estão sujeitos ao desgaste sucessivo causado pelo arrancamento do cavaco,
temperatura na região de corte e pelo aumento gradativo da área do topo do grão abrasivo, que
resulta no aumento da área de contato entre grão abrasivo e peça, aumentando as forças
envolvidas na remoção de material, nível de emissão acústica e temperatura na região de
corte.
Um desgaste bastante comum na superfície de corte das ferramentas é o macrodesgaste. Este é basicamente ocasionado pelo contato intenso do cavaco com a porção de
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ligante existente logo após o grão abrasivo. Dessa forma o cavaco ao deixar a região de corte,
se direciona continuamente contra o ligante, resultando num desgaste progressivo do mesmo,
pelo atrito cavaco/ligante, e na consequente possibilidade de remoção do grão abrasivo da
superfície de corte da ferramenta. O desgaste do ligante está intimamente relacionado à
geometria (formas e dimensões) do respectivo cavaco. Assim, de acordo com as condições de
trabalho (pressão gerada pelo mergulho da ferramenta em direção ao corpo de prova,
velocidade de corte do rebolo, etc.), os cavacos provocam determinadas mudanças na
geometria dos rebolos, tornando necessária a utilização de determinadas condições de ensaios
favoráveis ao retardamento da ocorrência de tais eventos. Uma maneira diferente de macrodesgaste, é a perda de grãos abrasivos pela ferramenta através da ação da temperatura na
região de corte, ocasionando a deterioração da fixação dos grãos da ferramenta pelo ligante,
facilitando a liberação dos mesmos. Uma possível solução para este problema é a adoção de
ferramentas com ligante de dureza elevada, o qual certamente suporta a ação dos cavacos
sobre o ligante, retardando a perda dos mesmos. Porém, tal alteração implica na permanência
por mais tempo do grão abrasivo na superfície de corte da ferramenta, acarretando em
desgaste do topo dos grãos, aumentando consequentemente, a superfície de contato entre
ferramenta e peça. Isso promove aumento da força tangencial de corte, temperatura e nível de
emissão acústica, entre outros. O fenômeno de desgaste do topo dos grãos abrasivos da
ferramenta, citado anteriormente, é denominado de micro-desgaste.
4.2. Operação de retificação cilíndrica externa de mergulho
A operação de retificação cilíndrica externa de mergulho e seus parâmetros estão
ilustrados na figura 1.
a
Peça
ds
Vf
Rebolo
lc
Fn
dw
Ft
Figura 1 - Retificação cilíndrica externa de mergulho (Malkin, 1989)
A operação de retificação cilíndrica externa de mergulho consiste basicamente na
profundidade total de mergulho “a” correspondente ao final do ciclo de retificação, com
velocidade de corte da ferramenta “vs”, velocidade de mergulho “vf”, velocidade periférica da
peça “vw”, comprimento teórico do cavaco “lc”, diâmetro da ferramenta “ds”, diâmetro da
peça “dw”, força tangencial de corte “Ftc” e força normal de corte “Fn”. Assim a operação de
retificação cilíndrica externa de mergulho é baseada na correlação desses parâmetros,
fornecendo-se subsídios para uma determinada condição de retificação desejada.
A figura 2 representa o comportamento do ciclo de retificação quanto ao avanço do
rebolo no processo de retificação cilíndrica. Pode-se notar o comportamento do rebolo ao
longo do processo de usinagem. No instante t = t1 o rebolo encontra-se numa posição de
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deslocamento (∆r1). À medida que o rebolo avança sobre a peça, partindo da posição ∆r1 para
a posição ∆r2, o mesmo não se desloca de maneira instantânea levando certo tempo “t2” para o
rebolo atingir a posição final ∆r2. Esse intervalo de tempo é denominado “Spark-out” ou
“Centelhamento”, que indica o tempo necessário para a ocorrência da acomodação das
deformações elásticas ocorridas durante o avanço do rebolo sobre a peça, até um valor
próximo da posição final, restando assim uma tensão residual referente à deformação ocorrida
durante o processo.
inclinação
Avanço
inclinaçãou1
desbaste
t1
t2
Tempo
Figura 2 - Representação do ciclo de retificação (Malkin, 1989No processo de
retificação, a energia específica (energia por volume de cavaco removido) é muito maior do
que em outros processos, uma vez que grande parte da energia de retificação é gasta em outros
mecanismos além da formação de cavaco, tais como atrito das áreas planas dos grãos
abrasivos com o material da peça e deformação do material da peça antes do início da
formação de cavaco (Malkin, 1989).
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A remoção do cavaco é dividida, basicamente, em três regiões de microfenômenos. A figura 3 representa tais regiões.
Figura 3 – Regiões de micro-fenômenos de remoção de cavaco na retificação (König,
1980)
Os detalhamentos das regiões foram feitos por Malkin (1989) da seguinte forma:
- Região I: deformação elástica do material da peça e do material aglomerante do
rebolo. A energia fornecida ao processo é consumida na forma de atrito, calor e deformação.
- Região II: material da peça apresenta deformação plástica, escoamento lateral e
recuperação da deformação elástica do estágio anterior devido à contínua penetração do grão
abrasivo. A dissipação de energia é feita por deformações, atrito e calor.
- Região III: formação do cavaco, uma vez que a aresta de corte atinge um valor de
penetração crítico, correspondendo à uma pressão também crítica. Parte da energia é
consumida no cisalhamento do material.
Segundo Nussbaum (1988), as deformações das fases I e II ocorrem porque o ângulo
de ataque da ferramenta abrasiva é fortemente negativo.
A remoção do cavaco da região de corte se dá pela porosidade do rebolo, sendo
expulso da ferramenta pela ação da força centrífuga ou pelo fluido de corte. Caso contrário,
ocorrerá o empastamento do rebolo.
5. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão bibliográfica a seguir apresenta os principais estudos realizados relativos
ao tema tratado neste trabalho: a técnica de mínima quantidade de lubrificante (MQL), a
aplicação do fluído de corte, as variáveis de saída no processo de retificação de cerâmicas e
rebolos diamantados.
5.1. A Técnica de Mínima Quantidade de Lubrificante (MQL)
Segundo Obikawa et al. (2006), a técnica de mínima quantidade de lubrificação
consiste numa mistura de óleo e ar comprimido, que formando uma névoa, é aplicada na
região do corte, no lugar da convencional inundação de fluidos de corte, miscíveis ou
imiscíveis em água.
De acordo com Attanasio (2006), MQL é uma técnica que pode reduzir muitos
problemas vindos do alto consumo de lubrificantes, como alto custo de usinagem ou
problemas ambientais e de saúde.
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Ainda segundo Attanasio, a técnica de MQL apresenta outras vantagens. O cavaco, a
peça e a ferramenta apresentam menos resíduos do lubrificante, o que torna sua limpeza mais
fácil e econômica; durante a usinagem, a área de trabalho não fica inundada de fluido de corte,
possibilitando, se necessário, observar a operação claramente.
Segundo Klocke & Einsenblätter (1997) , a técnica de MQL apresenta vantagens se
comparado com a refrigeração convencional. Dentre elas, a redução da potência de retificação
e energia específica, além da melhora da qualidade superficial e do menor desgaste do rebolo.
5.2. A Técnica de Mínima Quantidade de Lubrificante (MQL) com água
Segundo Yoshimura et al. (2005), o sistema de mínima quantidade de lubrificante
com água tem melhor performance na usinagem do que os sistemas de MQL tradicional, de
usinagem à seco e com bastante fluido em relação à precisão e refrigeração em ligas de
alumínio e aços inoxidáveis.
Ainda segundo Yoshimura, neste método, o desgaste da ferramenta é reduzido
consideravelmente em relação à usinagem à seco.
Segundo Itoigawa et al. (2006), o sistema MQL com água apresenta uma alta
habilidade de refrigeração devido às gotículas de água envoltas pela camada de óleo (Figura
4), além disso evaporam facilmente nas superfícies da peça e da ferramenta e refrigeram as
superfícies devido à sua sensibilidade e latência ao calor.
Figura 4 – Conceito das gotículas de água em óleo (Yoshimura, 2005)
5.3. Fluido de Corte
Segundo Ebbrell et al. (1999) os fluidos de cortes apresentam três funções
fundamentais: resfriar o conjunto peça-rebolo, conduzindo parte do calor para o fluído; lavar a
zona de retificação retirando os cavacos alojados nos poros do rebolo, evitando, desta forma, o
entupimento dos mesmos; e lubrificar a região de contato peça-ferramenta, reduzindo a
intensidade das forças envolvidas no processo e, também, evitando a geração de calor, por
meio, principalmente, da minimização dos efeitos tribológicos, oriundos do contato peçarebolo.
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Segundo Hryniewicz et al. (2000) a refrigeração é muito importante para evitar a
geração de elevados gradientes térmicos, que resultam em perdas dimensionais, geométricas e
de qualidade superficial.
De acordo com Sokovic & Mijanovic (2001), o uso de fluidos de corte aumenta a
vida útil da ferramenta, contribui com uma economia no processo e aumenta a eficiência da
produção como um todo.
Segundo Blenkowski (1993), os fluidos podem ser divididos em quatro grupos
básicos: óleo integral, óleos solúveis (formadores de emulsões), fluidos semi-sintéticos e
fluidos sintéticos. Cada classe é definida em função da quantidade de óleo presente e este
pode ser mineral ou sintético. Os fluidos solúveis em água são utilizados em retificações de
alta velocidade, pelo fato de apresentarem as melhores capacidades de resfriamento. Os
fluidos denominados sintéticos são compostos por materiais inorgânicos, não apresentando
nenhum tipo de óleo mineral. O fluido semi-sintético é uma combinação de fluidos sintéticos
com óleos emulsificantes, agregando as melhores propriedades de cada um deles.
5.4. Problemas Causados pelo Uso do Fluido de Corte
Segundo Sokovic & Mijanovic, (2001), os fluidos de corte podem provocar sérios
danos à saúde do operador da máquina. Estas, podem ter contato direto com a pele, engolir
partículas ou mesmo respirar a nevoa, a qual tem um efeito irritante. Além disso, o fluido de
corte pode mudar durante as conseqüentes operações, deixando ele mais nocivo à saúde de
quem trabalha, através de produtos de reações químicas, corpúsculos estrangeiros e
microorganismos.
De acordo com Hoff apud Irani (2005) a maioria dos fluidos de corte proporcionam
um ótimo meio para o desenvolvimento de bactérias que podem contaminar os operadores de
máquinas. Ainda de acordo com esse autor os fluidos de corte são conhecidos por causar
problemas de pele como dermatites. Além disso, há potencialmente o efeito fatal dos metais
pesados encontrados nos fluidos afetando assim o sistema respiratório e digestivo.
Segundo Bennett e Gardian apud Howes et al. (1991) afirmam que somando-se os
danos dermatológicos e respiratórios, observa-se que estes atingem de 50 a 80% de todos os
casos de intoxicação registrados nas indústrias.
5.5. Cerâmicas
De acordo com Mamalis et al. (2002), o uso das cerâmicas no campo da Engenharia
Mecânica tem crescido expressivamente nos últimos anos. As cerâmicas apresentam três
características principais que fazem com que elas tenham vantagens em relação à outros
materiais: a sua capacidade de operação em altas temperaturas, alta dureza e alta resistência ao
desgaste. Alem disso, nota-se que a densidade das cerâmicas é bem menor que os dos aços.
Os materiais cerâmicos normalmente não apresentam deformação plástica apreciável
e sua resistência ao impacto é reduzida, ou seja, apresentam baixa tenacidade. A baixa
deformabilidade do seu retículo cristalino resulta em elevada rigidez e dureza. Em
comparação com os metais, a energia de ativação é tão alta que o limite de resistência à fratura
é atingido antes do movimento de discordâncias (Marinescu et al., 1998).
Ainda de acordo com Marinescu et al. (1998), como a estrutura cristalina da
cerâmica é menos simétrica que a estrutura dos metais, mesmo o aumento de temperatura,
próximo ao ponto de fusão não resulta na ativação de mais do que dois ou três sistemas de
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deslizamento de discordâncias. Assim, há pouca deformação plástica e a elevada dureza
persiste mesmo em altas temperaturas, ao contrário dos metais.
5.6. Rebolos Diamantados
Shibata (1999) observa que a durabilidade do rebolo tende a aumentar com o
aumento da tenacidade a fratura do grão abrasivo. Ela considera ainda que o desgaste do
rebolo depende não só das características do diamante, mas também do tipo e dureza da liga,
da concentração de partículas abrasivas e das condições de retificação.
Segundo Meyer & Klocke (1998), os rebolos diamantados utilizados na retificação de
materiais cerâmicos são diferentes dos rebolos convencionais em três aspectos básicos:
abrasivo, liga (aglomerante) e o corpo do rebolo.
Segundo Jakobuss & Fiecoat (2000), os diamantes friáveis são os mais apropriados
para retificar cerâmica, pois ao se micro-fraturarem constantemente, regeneram as arestas de
corte, gerando menores forças para a remoção do diamante da liga e limitando o dano à peça.
Shibata (1998) considera que diamantes friáveis são adequados para ligas de menor resistência
mecânica (resinóide) e os diamantes com maior resistência ao impacto para ligas com maior
poder de retenção, ou seja, o tipo de abrasivo deve ser especificado em função do sistema
ligante utilizado.
Tönshoff et al. (1996) reportaram a tendência de redução da rugosidade
superficial com o aumento da velocidade de corte. Estes resultados são confirmados por
Ramesh et al. (2001). Huang et al. (2003) concluíram que a velocidade de corte não afeta
significantemente a rugosidade, quando o modo de remoção dominante é por fratura frágil.
No entanto, quando o modo dúctil prevalece (com baixos valores de hmax) eles
reportaram uma queda na rugosidade.
5.7. Circularidade
A tolerância de circularidade é determinada por duas circunferências que têm o
mesmo centro e raios diferentes. O centro dessas circunferências é um ponto situado no eixo
da peça.
O campo de tolerância de circularidade corresponde ao espaço “t” entre as duas
circunferências, dentro do qual deve estar compreendido o contorno de cada seção da peça.
Normalmente, não será necessário especificar tolerâncias de circularidade pois, se os
erros de forma estiverem dentro das tolerâncias dimensionais, eles serão suficientemente
pequenos para se obter a montagem e o funcionamento adequados da peça.
Entretanto, há casos em que os erros permissíveis, devido a razões funcionais, são tão
pequenos que a tolerância apenas dimensional não atenderia à garantia funcional. Se isso
ocorrer, será necessário especificar tolerâncias de circularidade. É o caso típico de cilindros
dos motores de combustão interna, nos quais a tolerância dimensional pode ser aberta (H11),
porém a tolerância de circularidade tem de ser estreita, para evitar vazamentos.
De acordo com Malkin (1989) e Demeter & Hockenberger (1997), o calor gerado na
retificação tem sua maior intensidade no contato peça rebolo, penetrando em direção ao centro
da mesma. Com isso, quanto maior a dificuldade do fluido adentrar na região de corte, maior
será o calor presente na peça, facilitando assim a formação de dilatações e deformação
térmicas, que acarretam em erros de circularidade, os quais são proporcionais à vibração da
máquina e aos parâmetros de corte utilizados.
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Segundo Minke (1999), os elevados atritos gerados durante o processo de retificação
(principalmente entre a peça e o rebolo), podem ser considerados um fator de extrema
importância para o aparecimento dos erros de circularidade, sendo que para a redução destes
atritos, um fluido com boa capacidade lubrificante, além da refrigerante é recomendável, a fim
de se melhorar a qualidade final da peça retificada.
6.6. Emissão acústica
Segundo DeGarmo (1997), o processamento de materiais pode ser monitorado
através da emissão acústica. A emissão acústica (EA) pode ser definida como a tensão ou a
variação de tensão gerada durante processos dinâmicos em materiais. Quase todos os
materiais emitem sons de alta freqüência quando são submetidos a um esforço, deformados ou
fraturados. A grande vantagem dessa técnica é que a estrutura pode ser monitorada quase
instantaneamente. As limitações referem-se aos ruídos externos, que podem atrapalhar a
interpretação dos sinais e que somente a presença do defeito, não é necessariamente detectada,
é necessário que ele seja ativado.
Segundo Inasaki (1990) apud Bianchi et al. (2001), as ondas acústicas estão sujeitas
a vários efeitos como amortecimento, freqüência dependente da velocidade, reflexão, e outros
fenômenos devido à sua propagação através do material. A EA é caracterizada como uma
energia resultante da interação entre o grão abrasivo e a peça que se propaga através da
estrutura do material. Sendo assim, ela pode ser relacionada com a energia específica de
retificação, a qual também é uma forma de energia associada ao processo de retificação.
Segundo Blaedel & Evans (1999) a EA pode ser usada em conjunto com a energia
específica para monitorar a transição entre os modos frágil e dúctil de remoção. Em geral,
quando o modo passa de dúctil para frágil, a energia da EA total aumenta, porém
normalizando a energia em função da quantidade de material removido, ela diminui. Além
disso, a EA no regime frágil ocorre em freqüências mais altas que no modo dúctil. Assim, a
EA poderia ser utilizada para caracterizar os mecanismos de remoção de material na
retificação da cerâmica através da análise e desdobramento das ondas geradas no processo.
6.7. Analise da microestrutura – Microestrutura eletrônica de varredura (MEV)
Paralelamente ao desenvolvimento dos microscópios eletrônicos de transmissão
surgiu o microscópio eletrônico de varredura, um outro tipo de instrumento, que permite a
visualização da superfície de amostras volumosas.
Segundo Marinescu et al. (1998) a microscopia eletrônica de varredura (MEV) é
muito utilizada na caracterização de superfícies fraturadas, para investigar a estrutura
superficial, detectar falhas e poros abertos. Um feixe de elétrons de 0,01 µm de diâmetro varre
a superfície linearmente e o impacto dos elétrons primários provoca a emissão de elétrons
secundários da amostra. Estes elétrons secundários são detectados e formam uma imagem,
onde as regiões mais profundas irradiam menos e as mais elevadas irradiam mais elétrons. A
resolução deste microscópio é limitada a 0,01 µm.
Segundo Mannheimer (2002) o MEV tem sua maior aplicação no exame de
superfícies rugosas (contraste topográfico). A fácil visualização e interpretação das imagens
foram desde o início um dos elementos marcantes do sucesso do instrumento
Quinn et al. (2003) reportaram que é possível examinar as trincas de retificação
através de microscópios ópticos (estereomicroscópio), sendo essencial iluminar a superfície
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fraturada da amostra lateralmente de uma fonte luminosa brilhante com baixo ângulo de
incidência.
7. MATERIAIS E MÉTODOS
Para a determinação e análise dos parâmetros envolvidos neste trabalho, o mesmo
será desenvolvido baseado na metodologia de experimentação. Será realizada uma seção de
ensaios preliminares afim de determinar os melhores valores para a velocidade de corte, vazão
do método de mínima quantidade de lubrificante e avanço de corte que serão utilizados.
Todos os ensaios serão realizados no Laboratório de Usinagem por Abrasão da
Faculdade de Engenharia – UNESP – Campus Bauru, sendo utilizada uma retificadora
cilíndrica fabricada pela empresa Sulmecânica, modelo RUAP 515 H-CNC, equipada com um
comando numérico CNC da Fagor, na qual serão instalados os acessórios que permitirão a
realização dos ensaios. Em relação à aplicação da técnica MQL, será utilizado como acessório
um aplicador Accu-lube 79053D, para a realização da mistura do ar e do lubrificante nas
respectivas vazões.
7.1. Aquisição de Materiais de Consumo e Equipamentos Utilizados
Os corpos de prova consistem de cilindros de uma alumina comercial, composta por
96% de óxido de alumínio e 4% de óxidos fundentes como SiO2, CaO e MgO. A densidade
aparente deste material é de 3,7 g/cm3. Os corpos de prova serão doados pela empresa
Máquinas Agrícolas Jacto S/A
Para a realização dos ensaios será utilizada como ferramenta abrasiva um rebolo
diamantado de liga resinóide, D140 N100V com dimensões de 350mm (diâmetro externo) x
15mm (largura) x 5mm (camada), diâmetro interno de 125mm, da empresa Dinser
Ferramentas Diamantadas.
O lubrificante de corte que será utilizado é o Rocol Cleancut que pode ser diluído em
até cinco partes de água. Este lubrificante será fornecido pela ITW Chemical Products Ltda.
O equipamento para a aplicação da mínima quantidade de lubrificante será o
aplicador ITW Accu-lube 79053D de micro-lubrificação, fornecido também pela empresa ITW
Chemical Products Ltda.
A medição da emissão acústica será feita com a utilização de um sistema de Emissão
Acústica, modelo DM12, marca Sensis, com um sensor fixo que será posicionado no cabeçote
móvel da retificadora próximo do contraponto, com o intuito de detectar as possíveis
variações deste sinal e sua relação com as outras variáveis de saída.
A medição do desvio de circularidade será realizada em uma máquina específica para
controle de tolerâncias geométricas e de forma da marca Taylor Hobson.
A captação da rugosidade superficial será obtida através de um rugosímetro Surtronic
3+
, da marca Taylor Hobson, que fará a medição do parâmetro Ra.
As análises de microestrutura (através da microscopia de varredura - MEV) serão
realizadas por terceiros, necessitando apenas de uma devida preparação dos corpos-de-prova,
incluindo o corte e a fixação dos corpos em uma resina, para a realização da análise.
O desgaste diametral do rebolo será medido por meio do método de impressão do
perfil do rebolo desgastado em um corpo devidamente preparado para tal fim. Nesse método
será utilizado um aparelho TESA digital, modelo TT10, com precisão de 1 (µm) micrometro.
O sistema MQL será composto de: compressor, regulador de pressão, manômetro,
dosador e bocal aspersor. Na Figura 6 encontra-se o bocal desenvolvido e utilizado na
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experimentação da técnica MQL no processo de retificação. O bocal será colocado à cerca de
35 mm da interface peça-rebolo.
(a)
(b)
(c)
Figura 6 – Projeto do bocal para MQL (a) vista superior do bocal, (b) vista lateral do
bocal, (c) vista anterior do bocal
7.2. Análise dos Parâmetros do Processo
Durante a execução dos ensaios preliminares serão determinados:
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Os parâmetros relacionados à velocidade como velocidade de corte, velocidade do ar
e velocidade da peça;
As velocidades de avanço radial, que serão três.
As condições de dressagem do rebolo, que serão mantidas constantes para não
influenciarem significativamente nos resultados finais;
A vazão de ar e de fluido de corte para a utilização da técnica do MQL. Esta vazão
será mantida constante para todos os ensaios definitivos.
Quanto às variáveis de saída do processo de retificação:
O comportamento da força tangencial de corte é dependente de uma série de fatores,
principalmente o tipo de ferramenta utilizada e as condições de refrigeração/lubrificação
atuante no processo;
A energia específica será avaliada por meio do monitoramento da força tangencial de
corte e da velocidade periférica do rebolo;
A rugosidade superficial será medida após o primeiro ciclo para cada experimento, e
assim avaliar diretamente a eficiência do sistema de alimentação de fluido na qualidade da
superfície;
A relação G poderá ser obtida em função do desgaste do rebolo;
Serão analisados os erros dimensionais e de forma no componente final, sendo estes
fenômenos formadores principalmente dos erros de circularidade.
8. DESCRIÇÂO DO PLANO DE TRABALHO
O plano de trabalho está estruturado em revisão bibliográfica, montagem do banco de
ensaios, realização dos ensaios preliminares e definitivos, confecção dos relatórios e análise
dos resultados.
8.1. Revisão Bibliográfica
A revisão bibliográfica será elaborada durante todo o período de realização do
presente trabalho, sendo abordado os principais temas relacionados com este, como retificação
de cerâmicas, fluidos de corte, rebolos diamantados, técnica de mínima quantidade de
lubrificante (MQL) e MQL com água.
8.2. Descrição do Banco de Ensaios
O banco de ensaios será montado com o objetivo de simular as condições de
usinagem, através da retificação cilíndrica externa de mergulho com a utilização de um rebolo
diamantado. Será composto de: uma retificadora cilíndrica CNC fabricada pela empresa
Sulmecânica, modelo RUAP 515 H-CNC, onde serão instalados os acessórios que permitirão
a realização dos ensaios; um rugosímetro modelo sultronic, marca Taylor Hobson, obtendo
assim aos valores de rugosidade média aritmética da peça; um micro computador que através
do progama Lab VIEW, versão 7.0, será elaborado um programa para aquisição da força
tangencial de corte, energia específica e emissão acústica. A programação é feita em subrotinas, destacando-se:
Entrada de dados físicos dos materiais ensaiados, características e dimensões;
Aquisição de dados em tempo real;
Análise e disposição destes dados em gráficos, simultaneamente à aquisição dos
dados;
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Apresentação dos resultados;
Armazenamento dos dados de interesse em arquivos.
A medição da emissão acústica será feita através de uma sub-rotina no programa, a
qual será capaz de processar as tensões geradas pelo aparelho de medição de emissão acústica.
Dessa forma, serão lidos diretamente e armazenados em arquivos específicos os valores das
variáveis de saída da força tangencial de corte, emissão acústica e energia específica de
retificação.
A operação de dressagem utilizada para os rebolos diamantados será mantida
constante para todos os ensaios, não influenciando as variáveis de saída do processo.
8.3. Realização dos Ensaios Preliminares e Definitivos
Através dos ensaios preliminares, serão definidos os parâmetros de entrada do
processo como, velocidade do rebolo, a vazão do fluido de corte para a refrigeração
convencional, a vazão de ar comprimido, o fluido e sua vazão para a utilização da técnica de
MQL. Com estes parâmetros já definidos, os ensaios definitivos poderão ser realizados e
através destes pretende-se obter resultados e conclusões convincentes em relação ao objetivo
proposto.
8.4. Confecção dos Relatórios Científicos
No total serão realizados dois relatórios científicos.
O primeiro será realizado após a montagem do banco de ensaios e da realização dos
ensaios preliminares, constando o resultado destes (determinação dos parâmetros de entrada) e
parte da revisão bibliográfica.
O segundo será realizado após o término de todos os ensaios definitivos, constando
todas as atividades realizadas e uma análise conclusiva sobre os resultados obtidos durante a
execução de todo trabalho.
8.5. Análise dos Resultados
Poderá ser observado através da comparação das variáveis de saída e os parâmetros
de entrada do processo o desempenho da técnica MQL com água no processo de retificação
externa de mergulho em cerâmicas utilizando rebolo diamantados.
O principal objetivo é contribuir com o estudo desta técnica de refrigeração que ainda
não possui muitas informações disponíveis na literatura.
9. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O procedimento experimental será dado da seguinte forma:
9.1 Sequência de Ensaios
Serão realizados três ensaios para três velocidades diferentes de avanço (Vf). Os
ensaios serão realizados com a técnica da MQL normal, sem adição de água, e para mistura de
1/1 partes de óleo/partes de água na técnica da MQL com água. A seqüência de ensaios é
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apresentada
na
figura
5.
Figura 5 – Seqüência de Ensaios
9.2 Conclusões e Resultados Esperados
Com o desenvolvimento desse trabalho pretende-se atingir os seguintes resultados:
Melhor compreensão sobre retificação de cerâmicas retificadas por MQL sem e com
adição de água na mistura;
Determinar os parâmetros mais adequados para a retificação de cerâmica com a
técnica de MQL com água;
Contribuir para uma manufatura mais limpa, através da utilização da técnica de
MQL;
Avaliação do desempenho da técnica do MQL com água em relação à MQL
tradicional.
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