A manufatura econômica de componentes cerâmicos funcionais e de alta precisão exige a utilização de processos de retificação com rebolos de diamante que apresentam alto desempenho, mas são muito dispendiosos. Na maioria dos casos, os usuários desse processo, ao selecionar seus parâmetros, tais como profundidade de corte, velocidade de avanço e velocidade periférica do rebolo, estão voltando a adotar antigos valores conservadores, o que leva à redução da taxa de remoção de material e da produtividade.

As razões para essa situação são, por um lado, a tendência à ocorrência de fratura sob solicitações excessivas que os materiais cerâmicos apresentam ^[1,2] e os processos de condicionamento mais demorados que os rebolos diamantados requerem, em comparação com o que ocorre nos discos de retificação convencionais ou feitos com nitreto cúbico de boro.

O resultado disso é a reserva em se adotar muitas tecnologias de retificação e a elevação da taxa de remoção de material associada ao aumento simultâneo do desgaste da ferramenta, uma vez que frequentemente os processos de afiação posteriores mais do que anulam os aumentos de produtividade associados ao tempo ativo do equipamento.

Além disso, os processos de retificação com rebolo diamantado possuem maior risco de apresentar comportamentos transientes em função dos mecanismos de desgaste que nele ocorrem. Ou seja, a ferramenta ligada com metal ou resina precisa ser afiada obedecendo-se intervalos rígidos para que apresentem grãos suficientemente projetados além da superfície – o que, por sua vez, implica em procedimentos caros e demorados.

Como alternativa, pode-se usar ligante cerâmico, cuja afiação é simples mas que, em função das menores forças de retenção dos grãos e de sua tendência à ocorrência de fratura, se desgastam de forma significativamente mais rápida. Apesar do contínuo aperfeiçoamento das ferramentas e dos processos de retificação, bem como dos métodos para condicionamento, o processo de retificação contribui intensamente para a elevação dos custos dentro da cadeia de agregação de valor na manufatura de componentes funcionais e de alta precisão feitos com material cerâmico.

Por esse motivo, não se consegue viabilizar os possíveis campos de aplicação desse processo para a manufatura de grande número de peças, geralmente em função dos problemas econômicos a ele associados. Um exemplo da aplicação de retificação rápida de mergulho pode mostrar quais são as possibilidades para se processar componentes cerâmicos, tanto com alta produtividade, como de forma consistente, desde que sejam adotados parâmetros de processo consistentes ^[3-6].

Elevação da confiabilidade

Para representar o potencial da retificação rápida de perfis, o Instituto de Máquinas-Ferramenta e Gestão de Fábrica da Universidade Técnica de Berlim (IWF) efetuou testes envolvendo a retificação de uma peça para demonstração feita de nitreto de silício sinterizado sob pressão de gás (GPSN, de Gas Pressure Sintered Silicon Nitride) SL200BG em tempo mínimo, sem quebra ou desgaste mensurável, com o processo evoluindo de forma absolutamente constante (figura 1). Do ponto de vista industrial, surgem especialmente as seguintes questões relativas às condições ajustáveis de corte:

• Parâmetros relevantes para se conseguir um processo confiável de retificação com alto desempenho;

• condicionamento econômico;

• possibilidade de uso de rebolos de retificação altamente concentrados;

• condicionamento superficial nas zonas periféricas retificadas, e

• obtenção do máximo potencial possível por meio de velocidades elevadas de corte e substrato amortecedor de choques.

Pesquisas realizadas no IWF permitiram determinar os mecanismos básicos de corte e desgaste que proporcionam as condições de processamento necessárias para uma retificação econômica sem que seja ultrapassado o valor-limite

Figura 1 – Perfil de uma peça para demonstração, feita de nitreto de silício (GPSN, SL200BG) submetido à retificação rápida de mergulho

que corresponde à tensão de ruptura pois, caso contrário, como também ocorre nas ferramentas de retificação convencionais com ligante cerâmico, poderá ocorrer desgaste exagerado^[6].

Este comportamento de desgaste pode ser observado sob máxima velocidade de avanço (v_w = 180 m/min). Portanto, para se obter condições econômicas de processamento, deve-se usar velocidades intermediárias de avanço, em torno de 100 m/min, sob valores elevados de velocidade periférica (v_s = 120 m/min), conforme figura 2 (pág. 58). Dentro dessas faixas ocorre influência positiva decorrente das velocidades de avanço elevadas, na forma de forças de usinagem reduzidas, com o aproveitamento simultâneo de um comportamento não crítico de desgaste. Dessa forma é possível obter valores da relação G (volume de material retificado/ material do rebolo) bem acima de 1.000 mm3/mm3.

Além disso, as elevadas velocidades periféricas do rebolo, em função da cinemática do elevado número de arestas de corte ao longo de todo o processo, levam a melhores níveis de qualidade superficial sob velocidades de avanço v_w intermediárias, da ordem de 105 m/min, e, simultaneamente, a elevadas taxas de remoção de material.

Durante as investigações efetuadas, foi constatado que o limite de carregamento do rebolo usado, que apresentava concentração C100, era alcançado a partir de uma velocidade de avanço v_w igual a 138 m/min para o valor de referência da taxa de remoção de material Q’_w igual a 90 mm3/mms. Do ponto de vista econômico, há razões adicionais para se aproveitar a máxima velocidade de avanço disponível, dependendo da máquina-ferramenta.

A duração calculada do tempo de mergulho t_s, determinada a partir da aceleração da mesa e da velocidade de avanço constante durante a retificação e a frenagem, cai assim que a velocidade de avanço se eleva, uma vez que a fração constante da velocidade de avanço durante a retificação ao longo de todo o curso do mergulho ainda é alta. Contudo, sob velocidades crescentes de avanço, as frações necessárias às fases de aceleração sobem significativamente, mais do que compensando a utilização na região de retificação

A base para essas constatações está na aceleração a_w do equipa-

Figura 2 – Evolução e resultados obtidos pelo processo de retificação rápida de mergulho com alto rendimento usando ferramenta de nitreto de silício

mento, que foi aplicada durante os ensaios de retificação e que foi aproximadamente igual a 25 m/s². Ao se considerar esse tempo nos cálculos da correspondente taxa de remoção do material, fica claro que esta sobe cada vez menos sob velocidades crescentes de avanço. Se forem consideradas outras combinações de parâmetros para profundidade de corte e velocidade do componente para um mesmo valor específico da taxa de remoção de material, o aumento da velocidade de avanço leva igualmente a uma acentuada redução da real taxa de remoção de material. A partir daí fica igualmente claro que, uma vez que a operação econômica é conseguida particularmente sob altos valores de taxa de remoção de material, a retificação rápida de mergulho somente é adequada para desbaste.

Análise da zona periférica

Considerando-se os fundamentos conhecidos sobre os mecanismos alterados de corte decorrentes de valores consideravelmente elevados da velocidade de avanço e da velocidade periférica do disco de retificação em comparação com os parâmetros de processo normalmente usados para a manufatura de componentes cerâmicos ou vidros óticos, é necessário esclarecer até que ponto o processo rápido de mergulho pode causar danos às zonas periféricas na peça que está sendo retificada. Para tanto, o I.W.F. analisou se o aumento da formação de cavacos frágeis decorrente de velocidades crescentes de avanço levou a danos mais profundos na peça sob processamento.

É possível caracterizar qualitativamente a situação dos

Figura 3 – Micrografias de um componente submetido à retificação rápida de mergulho usando ferramenta de nitreto de silício obtidas por microscopia eletrônica de varredura, que foram usadas para a análise da zona periférica

 

danos existentes pela análise de micrografias. Foram analisados corpos de prova retificados, tanto polidos, como também submetidos à retificação profunda ou rápida de mergulho. Contudo, não foi constatada tendência no sentido de uma dependência em relação à velocidade de avanço ou à taxa de remoção de material.

As trincas encontradas apresentaram exclusivamente propagação lateral paralela à superfície, tendo sido consideradas como sendo não críticas do ponto de vista mecânico. Não foram encontradas trincas críticas com propagação transversal (figura 3). Mesmo sob o máximo valor específico da taxa de remoção de material Q’_w igual a 90 mm³/mms não puderam ser constatados danos significativos na zona periférica em comparação com o que pôde ser provado no caso de superfícies polidas ou submetidas à retificação pendular convencional profunda. Deve-se mencionar que o método de análise aqui descrito apresenta uma restrição: ele somente pode ser usado localmente e, dessa forma, não se pode excluir a existência de trincas gerais decorrentes de danos. Estão planejados ensaios com outras técnicas de medição, como a análise de tensões internas.

Conclusão

O processo de retificação rápida por mergulho pode elevar significativamente a eficiência da retificação em comparação com o atual estado da arte. Considerando-se os efeitos recíprocos entre processo de afiação, ferramenta de afiação e parâmetros de processo, pode-se chegar a um processo estacionário, com a relação G alcançando valores bem acima de 1.000 mm³/mm³.

Por sua vez, o aperfeiçoamento dos ligantes e ferramentas de afiação poderá reduzir a alta complexidade existente até hoje no processo, feito com diferentes estratégias e ferramentas e o uso de programas CNC disponíveis, usando uma única ferramenta de afiação. Foi mostrado que as condições de contorno cinemáticas da retificação rápida por mergulho proporcionam vantagens adicionais, como a aplicação de maiores valores de concentração de grãos e velocidades de corte. A princípio, a caracterização dos danos nas regiões periféricas dos componentes não permitiu concluir se as elevadas taxas de corte exercem efeitos negativos sobre a função do componente.

Referências

1] Bifano, T. G.; Dow, T. A.; Scattergood, R. O.: Ductile-regime grinding of brittle materials. Journal of Engineering for Industry 113, p. 22, 40, 1988.

2] Bifano, T. G.; Dow, T.; Scattergood, R. O.: Ductile-regime grinding: a new technology for machining brittle materials. Journal of Engineering for Industry 113, p. 184-189, 1991.

3] Inasaki, I.: Speed-stroke grinding of advanced ceramics. Annals of the CIRP – Manufacturing Technology 37 1, p. 299-302, 1988.

4] Nishioka, T.; Ito, Y.; Yamamoto, T.; Yamakawa, A.; Miyake, M.; Tanaka, Y.: Surface grinding characteristics of Si3N4 ceramics under high-speed and speed-stroke grinding conditions. Journal of the Ceramic Society of Japan 103, 12, p. 1.225-1.229, 1995.

5] Uhlmann, E.; Sammler, C.: Influence of workpiece velocity on chip formation mechanisms in reciprocating grinding of ceramic materials. Interceram 01-02, p. 47-50, 2012.

6] Uhlmann, E.; et al.: Process stability and energy efficiency of the grinding process of high performance materials. In: ASME 2012 International Manufacturing Science and Engineering Conference, 40th North American Manufacturing Research Conference and International Conference on Tribology Materials and Processing. American Society of Mechanical Engineers, p. 943-950, 2012.