Há tempos a retificação cilíndrica externa de mergulho é uma operação bastante utilizada em um ciclo de usinagem, particularmente no final dele, pois se trata de um processo de acabamento[11]. É capaz de promover à peça características dimensionais e geométricas muito satisfatórias, tais como dimensões precisas e valores reduzidos de rugosidade e circularidade. Entretanto, a retificação é normalmente utilizada para o corte contínuo, ou seja, na retificação de peças sem descontinuidade alguma. No que se refere ao corte intermitente (peça com ranhuras ou qualquer outra natureza de descontinuidade) pouco se sabe a respeito, visto que as informações na literatura formal são escassas. Este tipo de corte é usualmente estudado em processos convencionais, como o torneamento[6].

É possível observar que, nas últimas décadas, as tecnologias envolvendo processos de usinagem promoveram grandes avanços, como pode ser observado nas significativas mudanças das máquinas operatrizes com a implementação de um Comando Numérico Computadorizado (CNC)[17]. Ainda segundo Quintana e Ciurana, as capacidades de produção tiveram grande crescimento graças ao desenvolvimento de novos conceitos, materiais, ferramentas e estruturas, com soluções inovadoras. Tudo isso foi alcançado graças à geração do conhecimento, isto é, ao empenho, ao estudo e à pesquisa.

Partindo deste princípio, ainda que os processos e as máquinas tenham experimentado certo avanço, há muito a melhorar. Por conta disso, este projeto tem o intuito de contribuir para que o processo de retificação intermitente, até então pouco conhecido (para peças que proporcionem o corte descontínuo), seja mais uma inovação. Isso porque as máquinas-ferramenta de elevada eficiência e precisão são fundamentais nos processos modernos de fabricação[11].

Se comparada a outras operações de usinagem, a retificação pode apresentar efeitos prejudiciais, tais como rápido desgaste do rebolo, maior utilização de refrigerantes e até mesmo má tolerância dimensional pelo fato de envolver uma grande energia específi ca[8] . Além disso, o maior problema em tal operação é o controle do calor transferido para a peça[16]. Isso acontece porque o fluido não é fornecido suficientemente na região de corte, zona na qual a temperatura aumenta rapidamente e causa muitos danos, como a queima e a modificação microestrutural da superfície usinada. Todos estes fatores fizeram com que vários pesquisadores buscassem uma possível solução para esses problemas. Eles conseguiram demonstrar que a retificação intermitente (para ranhuras localizadas no rebolo) é um método promissor não só para reduzir as forças médias da retificação[8], como também para reduzir os danos térmicos devido ao excelente efeito de resfriamento promovido por tal método[14].

 

Corte interrompido

Segundo Al-Zaharnah[3], o corte interrompido é o processo em que a ferramenta ora está em contato com a peça de trabalho, ora perde este contato (caracterizando um corte em vazio). É um processo largamente utilizado na usinagem de materiais. No torneamento, por exemplo, há o corte intermitente quando a geometria da peça bruta não é cilíndrica, como uma barra de seção quadrada, ou ainda a peça é cilíndrica, mas contém um rasgo de chaveta ou um furo transversal[18]. Com relação ao processo de fresamento, este também é considerado um processo de corte intermitente, visto que, pelas várias arestas presentes na ferramenta, há ciclos de corte, ou seja, em um dado instante uma aresta está removendo material e, logo em seguida, não está. Dessa forma, há um período de intermitência que auxilia no processo de arrefecimento.

O corte descontínuo é importante devido às mudanças que ocorrem com as características das forças atuantes sobre a ferramenta. Os acoplamentos e desacoplamentos entre peça e ferramenta geram impactos entre ambas que podem causar alterações tanto nas forças envolvidas no processo, quanto na rugosidade da superfície usinada[3].

Com relação à temperatura de usinagem, segundo Kountanya[13]

Figura 1 – Corpo de prova com duas ranhuras

Figura 2 – Corpo de prova com seis ranhuras

Figura 3 – Corpo de prova com 12 ranhuras

para o processo de corte intermitente esta é menor quando comparada a do corte contínuo, uma vez que os períodos de aquecimento (remoção de material) e de resfriamento (não remoção de material) são intercalados e, por este fato, a descontinuidade do corte poderia promover um menor desgaste de flanco/cratera da ferramenta, aumentando sua vida útil.

 

Objetivo

Verificar se o corte interrompido, junto ao método de lubrificação/refrigeração convencional (por abundância), é adequado sob diversas condições de usinagem (acabamento, semidesbaste e desbaste) para obter as melhores variáveis (rugosidade da peça, circularidade e desgaste diametral do rebolo). Além de ser estudado também qual é a influência do número de interrupções (ranhuras) na retificação do aço ABNT 4340, temperado e revenido, utilizando um rebolo convencional de óxido de alumínio sob várias condições de usinagem.

Figura 4 – Representação esquemática do processo de retificação cilíndrica externa[4]

 

Material e método

A seguir são apresentados os materiais e a metodologia empregada para o desenvolvimento do presente trabalho. Os corpos de prova utilizados no ensaio foram confeccionados em aço ABNT 4340 temperado e revenido, com dureza média de 60 HRC. As figuras 1, 2 e 3 mostram esboços dos corpos de prova usados nos experimentos.

Após o processo de usinagem necessário para deixá-los com geometria e dimensões especificados, os corpos de prova são submetidos a processos de tratamento térmico, que são a têmpera e o revenimento, o que permite ao material melhor resistência (têmpera) e também uma boa tenacidade (revenimento). Tais tratamentos foram realizados pelo fato de que há grande utilização deste material nestas condições pelas indústrias, o que motivou a realização destas experimentações o mais próximo possível do procedimento utilizado no mercado de trabalho.

A figura 4 apresenta a ilustração esquemática do processo de retificação dos corpos de prova. Na retificação cilíndrica externa de mergulho, o rebolo executa movimento de avanço numa direção perpendicular à superfície retificada. O rebolo normalmente é mais largo que o comprimento da peça, sendo possível fazer a retificação de várias superfícies simultaneamente, por meio da montagem de diversos rebolos, ou a retificação de perfis, utilizando a afiação do rebolo no perfil adequado[7].

O processo pode ser comparado a um sistema massa-mola, uma vez que os avanços de penetração do rebolo na peça provocam deformações elásticas na estrutura da máquina pela falta de rigidez do sistema, principalmente da máquina operatriz. É necessário, então, criar um período em que não haja avanços, denominado tempo de centelhamento, ou ainda spark-out. Nesse período, as deformações vão sendo gradualmente eliminadas, removendo material e finalmente eliminando o atraso e atingindo as dimensões desejadas[4,10]. Assim, a ideia descrita anteriormente, apresentando molas imaginárias na peça – no rebolo e na região de penetração do rebolo – é ilustrada na figura 4.

O rebolo utilizado nos ensaios possui a seguinte especificação: RT 355 mm x 25,4 mm x 127 mm (diâmetro x espessura x furo); AA 150 L6 VS, onde AA significa óxido de alumínio branco; 150 refere-se a grão fino; L é dureza média; 6 é a estrutura; V é o ligante vitrificado e S significa a marca privada do fabricante.

Foi utilizada uma emulsão de 2,5% em água do óleo solúvel semissintético Quimaticme-I concentrado, com vazão de 85 L/min e pressão de 16.276 Pa.

Para a operação de retificação, foi utilizada uma retificadora cilíndrica externa de mergulho. O corpo de prova foi colocado em um eixo, o qual ficava entre pontas na retificadora conforme figura 6, permitindo que a superfície do corpo de prova ficasse perpendicular ao mergulho do rebolo. Antes do contato entre peça e ferramenta abrasiva, ambos eram colocados em rotação no mesmo sentido, para que houvesse maior remoção de material, além de ser ligado o sistema de arrefecimento por abundância. A velocidade de corte (vs) do rebolo foi de 30 m/s e a rotação da peça (nw) de 204 rpm. A profundidade de corte total foi de 5 mm, com penetração de 0,1 mm entre cada tempo de spark-out (tempo este de aproximadamente 3 s), a velocidades de mergulho de 0,25 mm/min, 0,5 mm/min e 0,75 mm/min para cada um dos três tipos de corpos de prova. A cada operação de dressagem eram realizados dois ensaios em regiões distintas da superfície de corte do rebolo. A dressagem foi feita com dressador do tipo conglomerado, que foi penetrado 40 μm e deslocado lateralmente com velocidade de 100 mm/min. Não foram realizadas réplicas dos ensaios, já que a expectativa foi de apenas verificar o comportamento típico das variáveis e parâmetros envolvidos. A figura 5 ilustra a fixação do corpo de prova no mandril e do mandril na retificadora.

Figura 5 – Corpo de prova inserido com um eixo-suporte, preso entre pontas na retificadora

Para a análise do desgaste diametral do rebolo, foram feitas impressões da ferramenta abrasiva, antes de sua dressagem, em cilindros previamente usinados em aço ABNT 1020 e diâmetro 30 mm – dureza média 180 HB, com velocidade de mergulho de 0,25 mm/min, sendo utilizada esta velocidade por proporcionar melhor precisão. Com auxílio de equipamento adequado, o desgaste foi medido por meio destas impressões. Um exemplo do cilindro utilizado é mostrado na figura 6.

Em seguida, os corpos de prova foram submetidos a banhos em produtos químicos para limpeza e remoção de resíduos da retifi cação, para realização das análises de circularidade e rugosidade. Com o auxílio de um instrumento, como uma pinça, os corpos de prova foram mergulhados nos seguintes banhos, obedecendo à sequência: querosene ou água raz; thinner; álcool etílico ou álcool hidratado; e álcool metílico.

O intuito dessa sequência é fazer com que as impurezas mais grosseiras, como fluido refrigerante, sejam retiradas por solventes com maior poder de remoção, como é o caso do querosene e do thinner. Por conseguinte, os solventes de menor poder de remoção promovem uma limpeza mais fina do material e, posteriormente, um secador é utilizado para secar as peças. Dessa forma, os corpos de prova se apresentam prontos para serem submetidos às análises de circularidade e rugosidade.

Para a medição de circularidade, cada corpo de prova foi colocado no equipamento, e foram realizadas três medições em cada um deles. Para cada medição, a posição inicial de contato da ponta apalpadora na peça diferia em 120° do ponto de contato anterior. Para a realização das análises de circularidade dos corpos de prova foi utilizado o equipamento Talyrond 31c, da Taylor Hobson.

A medição da rugosidade (parâmetro Ra) se assemelha ao procedimento de medição da circularidade, isto é, foram realizadas três medições em cada corpo de prova, sendo uma feita a 120° da anterior. O rugosímetro utilizado nas análises foi o Surtronic 3+, da Taylor Hobson e cut-off de 2,5 mm.

O desgaste do rebolo foi medido com o equipamento de medição do perfil de rugosidade. Consistiu em fazer uma impressão em um cilindro previamente usinado, como o da figura 6, o qual passava a conter o perfil que o rebolo apresentava. Esta impressão nada mais é que fazer com que o rebolo penetre no cilindro (no caso, uma penetração 0,1 mm, a uma velocidade de mergulho de 0,25 mm/min e a uma profundidade e corte total de 1 mm). Assim, o equipamento é ajustado para varrer um determinado comprimento e, dessa forma, detecta as variações de profundidade de impressão, revelando o desgaste da ferramenta abrasiva por meio de um software.

Figura 6 – Cilindro utilizado para impressão do perfil do rebolo

 

Resultados e discussão

A seguir serão apresentados os resultados obtidos nos ensaios experimentais.

 

Rugosidade

A figura 7 apresenta o comportamento da rugosidade (parâmetro Ra) em função do ensaio, bem como seus respectivos desvios padrão.

Figura 7 – Rugosidade em função da velocidade de mergulho do rebolo

É possível observar que há uma tendência de aumento da rugosidade conforme a velocidade de mergulho aumenta, para um mesmo tipo de corpo de prova (mesmo número de ranhuras). De acordo com Alves[2], a velocidade de avanço do rebolo afeta o acabamento superficial da peça e também a força tangencial de corte, sendo que a rugosidade aumenta junto com a força. Assim, a rugosidade é crescente conforme a velocidade de mergulho passa de 0,25 para 0,75 mm/min. Tal fato pode ser explicado pelos constantes choques que ocorrem entre o corpo de prova e o rebolo, de modo que, ao iniciar o corte após passar por uma das ranhuras, o impacto provoca um aumento na força de corte no acoplamento, implicando em uma diminuição da qualidade superficial.

Quanto maior é a velocidade de mergulho do rebolo no corpo de prova, mais severos serão os impactos e o atrito na peça-ferramenta, levando a maiores picos das forças e maior rugosidade. Al-Zaharnah[3] explica que o corte descontínuo é importante devido às mudanças que ocorrem com as características das forças atuantes sobre a ferramenta, isto é, acoplamentos e desacoplamentos entre a peça e a ferramenta geram impactos entre ambas, o que pode causar alterações tanto nas forças envolvidas no processo, quanto na rugosidade da superfície usinada. Ao aumentar o avanço do rebolo sobre a peça, aumentam-se os esforços na direção de força de avanço e nas áreas de cisalhamento, o que resulta, naturalmente, na piora do acabamento.

Segundo Fan e Miller[8], as forças no processo de retifi cação intermitente (com ranhuras no rebolo) sofrem alterações em relação à retificação convencional (rebolo sem ranhuras). Observaram ainda que houve uma diminuição das forças médias e um aumento no pico de forças no processo intermitente, quando comparado ao convencional, além de concluir que quanto menos ranhuras, menores são as forças médias e maiores as forças de pico. E ainda de acordo com Tawakoli e Azarhoushang[19], que estudaram a influência da retificação intermitente (rebolo com ranhuras) na usinagem de compósitos de matriz cerâmica (CMC), o valor da rugosidade superfi cial para a retificação convencional foi levemente menor que para o processo intermitente, explicado pelos constantes choques entre ferramenta abrasiva, devido aos acoplamentos e desacoplamentos entre o rebolo e a peça.

Entretanto, obser vando os ensaios que apresentam mesma velocidade de mergulho, porém em corpos de prova distintos, é possível notar que a tendência é de diminuição da rugosidade para as taxas de remoção de 0,25 mm/min e 0,5 mm/min, isto é, a rugosidade diminui com o aumento do número de ranhuras. Para a velocidade de mergulho de 0,75 mm/min, do ensaio 3 (0,75 mm/min – 2 ranhuras) e para o ensaio 6 (0,75 mm/min – 6 ranhuras) a tendência de diminuição da rugosidade foi mantida, mas no ensaio 9 (0,75 mm/min – 12 ranhuras) a rugosidade permaneceu elevada.

Com o aumento do número de ranhuras para uma mesma velocidade de mergulho, ocorre uma diminuição no atrito peça-rebolo devido ao menor contato, implicando em maiores forças de pico pelo aumento do número de impactos[8] e com menor temperatura na zona de corte pela ocorrência mais frequente de acoplamentos e desacoplamentos, ou seja, similar ao que ocorre no processo de fresamento onde há áreas intermitentes que facilitam a refrigeração, que proporcionam um arrefecimento no processo.

Pérez et. al[16] concluiu em seu trabalho que a temperatura de corte sofre uma redução conforme aumenta o número de ranhuras no disco abrasivo, justificando tal fato pelo fornecimento mais eficaz do fluido refrigerante na zona de corte para a retificação intermitente que para a retificação convencional, devido à presença das ranhuras. Assim, tem-se uma diminuição da rugosidade superficial da região usinada.

 

Circularidade

A figura 8 mostra os resultados obtidos da circularidade dos corpos de prova em cada ensaio e seus respectivos desvios padrão.

Figura 8 – Circularidade em função da velocidade de mergulho do rebolo

Os resultados apresentados permitem inferir que, assim como na rugosidade, houve tendência de aumento da circularidade, ou seja, para um mesmo corpo de prova, o aumento da velocidade de mergulho implicou em aumento da circularidade (entender aumento da circularidade como aumento da “ovalização” ou desvio macrogeométrico[1]. Isso porque, quanto maior é a velocidade de mergulho, mais severo é o corte, o que faz com que a peça receba esforços compressivos cada vez mais intensos, facilitando que seu perfil circular sofra desvios.

Comparando os ensaios com mesma velocidade de mergulho, é possível observar que, para as velocidades de mergulho 0,25 mm/min e 0,5 mm/min, o aumento do número de ranhuras de duas para seis amplifica a circularidade, que decresce ao se utilizar doze entalhes. Tal fato ocorre tendo em vista as baixas velocidades de mergulho, pois quanto mais ranhuras, menor é o perfil externo do corpo de prova. Dessa forma, os corpos de prova com 12 ranhuras apresentam menor perfil que os demais, o que pode contribuir para diminuir seu desvio macrogeométrico.

Em contrapartida, para 0,75 mm/min, o aumento do número de ranhura de dois para seis promove um aumento da circularidade, a qual também aumenta ao se utilizar 12 ranhuras. Como se trata de uma velocidade de mergulho mais alta, esforços elevados comandam o processo, causando variação do perfil, desde o corpo de prova com duas até o com 12 ranhuras. De acordo com Fernandes[9], um fator que implica na diminuição do desvio de circularidade é o tempo de spark-out. Tempos de centelhamento maiores (cerca de 12 a 15 segundos) implicariam em menores desvios, mas, por outro lado, aumentariam o tempo de usinagem, que pode representar perda de capital para a indústria. Ainda segundo Fernandes[9], no que diz respeito à refrigeração convencional, a alteração do tempo de spark-out não resultaria em mudanças significativas para a rugosidade e desgaste do rebolo.

 

Desgaste diametral do rebolo

A figura 9 apresenta o desgaste do rebolo em cada um dos ensaios.

Figura 9 – Desgaste diametral do rebolo

É possível observar que existe uma tendência em relação ao desgaste. Conforme aumenta a velocidade de mergulho – tal como aumenta o número de ranhuras no corpo de prova –, o desgaste do rebolo aumenta. De acordo com Fan e Miller[8], isto pode ser explicado pelo fato de que, com uma maior velocidade de penetração e um maior número de ranhuras, implicam em mais impactos no rebolo que aumentam os picos de força. Os impactos adicionais ocasionam fraturas dos grãos e do ligante (vitrificado), provocando o desgaste. Além disso, ao aumentar o número de ranhuras, cresce também o número de impactos contra o rebolo devido aos acoplamentos e desacoplamentos entre a ferramenta e a peça[19], tornando a retificação mais severa. Como base, Liao et. al[15] explica que o desgaste que ocorre com o rebolo está relacionado à quebra dos grãos abrasivos e à fratura do ligante, ambos decorrentes da deterioração térmica ou das severas solicitações mecânicas a que o rebolo é submetido.

 

Conclusão

Por meio dos resultados obtidos, podemos concluir que a rugosidade tende a aumentar para corpos de prova com mesmo número de ranhuras, conforme aumenta a velocidade de penetração do rebolo, sendo que a menor rugosidade foi obtida para o corpo de prova de 12 ranhuras e com avanço de

0,25 mm/min.

A circularidade, assim como a rugosidade, também tende a aumentar com taxa de penetração da ferramenta abrasiva mais elevada, para corpos de prova com mesmo número de ranhuras. O menor desvio de circularidade foi obtido, também, para o corpo de prova de 12 ranhuras e taxa de

penetração de 0,25 mm/min.

O desgaste do rebolo tende a aumentar conforme a taxa de penetração do rebolo e o número de ranhuras são maiores, sendo que o menor desgaste ocorreu para o ensaio com avanço de 0,25 mm/min para o corpo de prova de duas ranhuras.

 

Referências

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  7. Diniz, A. E.; Marcondes, F. C.; Coppini, N. L.: Tecnologia da usinagem dos materiais. Artliber Editora, 6a ed., Campinas, 2008.
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  10. Hassui, A.: Estudo da vibração durante o corte e centelhamento na retificação cilíndrica de mergulho. Tese de Doutorado. Unicamp, Campinas, 2002.
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