Nas duas últimas décadas, o interesse na retificação de cerâmicas avançadas tem crescido substancialmente com o uso generalizado de componentes cerâmicos estruturais, tais como alumina, nitreto, carboneto de silício e zircônia, em muitas aplicações de engenharia e medicina[1]. As vantagens da cerâmica em relação a outros materiais incluem alta dureza e resistência a temperaturas elevadas, estabilidade química e resistência ao desgaste. No entanto, esses benefícios são acompanhados de dificuldades associadas à usinagem em geral e à retificação em particular, devido aos altos valores de dureza, rigidez das cerâmicas, e baixa tenacidade à fratura em comparação com materiais metálicos e ligas[21].

Outro aspecto importante é que a retificação de cerâmicas influencia diretamente a rugosidade, que é um fator essencial utilizado para inspeção em várias aplicações industriais, como a produção e processamento de metais, materiais semicondutores, cerâmicas, papel e plástico. Apesar da importância de uma avaliação superficial microscópica nas peças retificadas, as medições de rugosidade são realizadas, em muito dos casos, por métodos tradicionais com hastes de prova e perfilômetros ópticos. Essa aquisição constante torna-se inviável em uma linha de produção devido à parada constante da máquina para efetuar a medição[4,19].

Uma das maneiras de aperfeiçoar o processo é a estimação da rugosidade por meio do monitoramento dos sinais provenientes do processo de retificação. Algumas variáveis do processo, como a remoção de material, emitem sinais que podem ser medidos e estudados. Um exemplo é a medição da vibração, que diz respeito aos movimentos oscilatórios de corpos e das forças que são associadas à frequência do movimento. O sinal extraído da medição de vibração pode ser estudado, por meio do processamento digital de sinais, e apresentar correlação com as condições do processo[16,22].

Considerando a importância do processo de retificação de cerâmicas e da avaliação da qualidade superficial nas peças, o objetivo deste trabalho foi o de estudar o sinal de vibração, buscando a extração de características que melhor se relacionam com a rugosidade nos corpos de prova usinados.

Retificação de cerâmicas

Componentes de cerâmicas de alto desempenho têm ganhado importância nos últimos anos. Por causa de suas boas propriedades como a dureza, resistência à temperatura e ao desgaste, estes componentes estão cada vez mais sendo aplicados em indústrias automotivas e de manufatura[9].

As características dos corpos cerâmicos são decorrentes de sua composição química e de seu processo de fabricação. No processo de fabricação das cerâmicas, durante a queima da massa, ocorrem reações térmicas em seu interior, formando as fases determinantes para as características mecânicas finais do produto [6].

Os procedimentos geralmente utilizados na usinagem de cerâmica, após a sinterização, com o objetivo de obter superfícies de elevada qualidade e acurácia geométrica são: lapidação, brunimento e retificação. Destes, a retificação é o processo mais utilizado devido às taxas de remoção maiores que o brunimento e por ser isento das limitações geométricas do processo de lapidação[10].

Sendo uma das últimas etapas da cadeia de operações de usinagem, o processo de retificação utiliza um rebolo, que consiste de grãos abrasivos unidos por um material ligante, como ferramenta. As arestas dos grãos da superfície do rebolo agem como ferramentas de microcorte que, de forma aleatória, entram em contato com o material a ser cortado [13]. Trata-se de um processo de alta precisão e importância, já que é inaceitável a perda de uma peça nesta etapa, uma vez que o valor agregado ao material se tornou alto devido aos outros processos que o antecederam[7].

Na usinagem de cerâmicas avançadas, a retificação envolve o contato de um grande número de partículas abrasivas com a superfície da peça[2]. E devido às características de usinagem do material e suas propriedades mecânicas, como consequência, pode-se ter um processo de retificação com vários estágios: desbaste, semiacabamento, e acabamento, de forma a se obter a superfície final desejada e boa integridade nas peças acabadas[18].

Rugosidade

Uma peça retificada apresenta um perfil composto de picos e vales em sua superfície, que é chamado de rugosidade. Para obtenção de um acabamento adequado à superfície, é necessário monitorar esse fenômeno, adotando um parâmetro para determinar o nível de rugosidade nas peças usinadas.

A rugosidade destaca-se como um dos mais usados parâmetros de qualificação da topografia de superfícies retificadas. Normalmente, é definida pelos valores de rugosidade média aritmética (Ra), rugosidade média quadrática (Rq) e máximo pico ou vale de rugosidade (Rt).

Além do tipo de medição realizada, a direção na qual ela é feita também influi em seu valor. Geralmente, a rugosidade medida na direção perpendicular ao corte tem maior valor que a da linha longitudinal [8].

A rugosidade da peça retificada depende de uma complexa interação entre tipo e topografia da ferramenta, parâmetros de corte usados e interações tribológicas entre pontos de corte abrasivo e peça[11]. A irregularidade é gerada pela interação da topografia da superfície do rebolo com a peça, sob um movimento cinemático imposto pela máquina. O acabamento obtido depende da rugosidade do rebolo, sendo esta consequente da dressagem, do seu material, parâmetros de retificação e interações tribológicas entre a peça e pontos de corte do abrasivo[20].

Monitoramento com ênfase na medição de vibração

O monitoramento da retificação fornece informações úteis para o aprimoramento do processo em termos de tempo e custo [17]. Um dos métodos empregados são os sistemas de sensores para o processo de retificação, que devem ser capazes de identificar problemas no processo com alta confiabilidade. Os principais problemas de qualidade no processo de retificação são provenientes da ocorrência de vibração, queima e deterioração na rugosidade[14].

A remoção de material emite sinais fortes de vibrações, que podem ser monitorados na forma de onda no domínio de tempo e da frequência. As vibrações que ocorrem durante o corte de metal podem ser divididas em dois grupos que não são mutuamente exclusivos: dependentes e independentes do processo de corte.

A vibração dependente do corte pode demonstrar certo número de características em função do processo como, por exemplo, corte interrompido. Já a vibração independente do corte inclui a vibração forçada causada por outras máquinas ou componentes de máquina como, por exemplo, a vibração transmitida por meio de fundações, desequilíbrio de peças rotativas, forças de inércia das peças de movimento alternado, e imprecisões cinemáticas de unidades de acionamento[16,22].

A aquisição do sinal bruto (sem processamento ou condicionamento) de vibração do processo normalmente é feita por um acelerômetro preso ao suporte de fixação das peças na máquina[7]. O processamento digital do sinal de vibração tem como objetivos eliminar ruídos e extrair características desejáveis do sinal. Isso é possível graças a ferramentas computacionais, matemáticas, estatísticas, filtragens e conversões digital-analógicas do sinal.

Figura 1 – Representação esquemática do banco de ensaios

Diversas técnicas têm sido aplicadas para medir e analisar a resposta de vibração no processo de retificação, sendo uma delas a abordagem no domínio do tempo[15]. O valor médio quadrático (RMS), por exemplo, é uma análise no domínio do tempo que tem sido utilizada para tratamento de sinais[15].

De acordo com Hassui et al[7], o valor médio quadrático (RMS) da vibração da peça apresenta melhor relação com desgaste do rebolo do que o sinal de emissão acústica. Além disso, a sensibilidade do sinal de vibração para detectar o momento do contato do rebolo com a peça e do momento de saída da peça é tão boa quanto a sensibilidade do sinal de emissão acústica.

Outra maneira de estudar o sinal de vibração é pela análise no domínio da frequência. O espectro de frequência fornece, em muitos casos, a informação detalhada sobre a condição de sinais que não pode ser obtida no domínio tempo.

O conteúdo de frequências pode ser obtido pela aplicação de métodos e ferramentas como as transformadas[3]. Uma análise do espectro de vibração pode ser baseada na seleção de faixas de frequência que caracterizam a variável física que se deseja controlar ou estimar no processo[22].

Um dos métodos utilizados na análise em frequência do sinal é a Transformada Rápida de Fourier (FFT, de Fast Fourier Transform). A FFT é um algoritmo que implementa a Transformada Discreta de Fourier (DFT, de Discrete Fourier Transform) de maneira eficiente, reduzindo o número de cálculos matemáticos e o tempo de processamento. Aplicando a FFT em um sinal com variáveis no domínio do tempo, o resultado é a representação do sinal no domínio da frequência[12].

Material e métodos

A seguir, são apresentados os procedimentos adotados para a experimentação do presente trabalho, os quais estão relacionados com os materiais e métodos empregados em cada etapa.

Procedimento dos ensaios

Foi utilizada, para realização do experimento, uma retificadora plana tangencial da fabricante Sulmecânica, modelo RAPH - 1055, cujo rebolo é acionado por um motor de indução trifásico, 7,5 cv, e alimentado por inversor de frequência do fabricante WEG. Foi utilizado um

Figura 2 – Média e desvio padrão da aceleração (a) e rugosidade (b) em cada profundidade de corte

rebolo diamantado com aglutinante resinoide, código SD-126MN50B2, com granulometria de D126 FEPA (120/140 Mesh), fabricado pela empresa Dinser Ferramentas Diamantadas.

O fluido de corte utilizado foi emulsão água-óleo de 4% de concentração, sendo o óleo, da fabricante Shell, tipo DMS 3200 F-1. Para a medição da concentração do fluido de corte, foi utilizado o refratômetro N-1E da Atago.

O sistema de refrigeração possuía um transmissor de pressão e outro de vazão, permitindo o controle dessas duas variáveis ao longo dos ensaios. O bocal tinha seção retangular de 49 mm de comprimento por 3 mm de largura, vazão utilizada de 27,51 L/min e pressão de 0,2 kgf/cm2.

Os corpos de prova foram fabricados por prensagem e sinterização, resultando em barras de alumina com dimensões de 20 x 20 mm, compostas por 96% de óxido de alumínio e 4% de óxidos como o dióxido de silício, o óxido de cálcio e o óxido de magnésio. A aquisição da vibração foi feita por um acelerômetro da empresa PCB Piezotronics, consistindo de um sensor fixo ao suporte da peça e um módulo amplificador com ganho utilizado de 20.

O sinal foi coletado por um osciloscópio, modelo DL850, da empresa Yokogawa, com frequência de amostragem de 2 MHz. O desenho esquemático do banco de ensaios é mostrado na figura 1 (pág. 30).

Para a medição da rugosidade foi utilizado um rugosímetro portátil digital, modelo Surtronic 3+, fabricado pela Taylor Hobson. As medições foram realizadas em quatro pontos ao longo de cada peça usinada, adotando o parâmetro Ra.

Os ensaios foram realizados em sete profundidades de corte (ae), sendo elas de: 25, 35, 50, 105, 150, 210 e 350 μm. A velocidade de corte do rebolo (vs) foi mantida em 33 m/s, obtendo-se sete espessuras de corte equivalentes (heq) entre 0,043 e 0,615 μm para a velocidade da peça (vw) de 58 mm/s, e sete heq entre 0,094 e 1,300 μm para vw de 125 mm/s.

Processamento digital dos sinais

Cada um dos testes do experimento foi constituído de passes do rebolo sobre o corpo de prova de cerâmica nas profundidades de corte definidas, sendo um valor diferente para cada corpo de prova. O sinal de vibração foi coletado em cada uma delas.

Inicialmente, foi aplicado no sinal puro de vibração, com o uso do Matlab, um filtro digital butterworth, passa-baixa de quinta ordem, cuja frequência de corte foi 10 kHz. Em seguida, realizou-se o processamento digital dos sinais filtrados, obtendo-se o valor RMS, para cada passe de usinagem, em blocos de 2.048 amostras do sinal, o que equivale 1 ms.

Na sequência, foram calculados os valores médios e desvios padrão do sinal RMS. Obteve-se o espectro do sinal puro de vibração, aplicando a FFT no sinal, com janela de Hanning, considerando 8.192 amostras do sinal bruto de um trecho do passe de usinagem.

No espectro da vibração, foi analisada uma condição branda, que corresponde à primeira profundidade de corte e ao primeiro valor de heq; uma condição intermediária referente à profundidade de corte média em relação ao número total de passes; e uma condição severa correspondente à última profundidade de corte, ou seja, o heq mais agressivo Para os valores de rugosidade medidos no ensaio, a média e desvio padrão foram calculados para cada passe de usinagem, a fim de estudar o seu comportamento ao longo das profundidades de corte.

Resultados e discussões

Nesta seção serão apresentados os resultados obtidos durante os ensaios e as discussões sobre a rugosidade e os valores de aceleração. A figura 2 (pág. 30) apresenta o comportamento vibracional ao longo de todo o ensaio, por meio da média e do desvio padrão em função das profundidades de corte adotadas.

Observando a figura 2, nota-se que a vibração aumenta conforme a profundidade de corte é maior, ou seja, o comportamento segue uma tendência de aumento da aceleração, diretamente relacionada com o aumento da penetração da ferramenta na peça em cada passe de usinagem.

Apesar da tendência de crescimento, em algumas condições, o sinal decai sua amplitude, como pode ser visto com a vw = 58 mm/s, nas condições de ae = 35 e 150 μm. O mesmo ocorre com a vw = 125 mm/s, na condição de ae = 50 μm. Os desvios padrão são relativamente baixos, praticamente em todas as condições e, por outro lado, em geral, mesmo com diferenças de amplitude entre elas e, em algumas condições com casos de não linearidade na tendência, nota-se um comportamento semelhante nas duas velocidades vw.

Com objetivo de comparar a vibração ao longo dos passes com a qualidade superficial das peças de cerâmicas usinadas, foi realizado o estudo dos valores de rugosidade medidos no experimento. A figura 2b mostra a rugosidade das peças, por meio da média e desvio padrão em cada profundidade de corte.

Comparando esses valores com a aceleração, é interessante notar que as influências da vw na aceleração e na rugosidade são opostas. Pode ser visto nesta figura que, ao contrário dos resultados de aceleração, a vw = 58 mm/s apresentou maiores valores de rugosidade médios nas primeiras profundidades de corte.

Para a vw = 125 mm/s, que se caracterizou com valores médios de vibração mais altos na figura 2a, a rugosidade na figura 2b teve, nas primeiras profundidades de corte, seus valores médios mais baixos. Contudo, pode-se observar que os desvios padrão se sobrepõem em todos os pontos do gráfico nas duas vw, de maneira que não pode ser encontrada uma correlação entre rugosidade e vibração em cada vw.

É possível observar que os valores médios de rugosidade permaneceram entre 0,4 e 1 μm, o que está dentro da faixa de valores de rugosidade Ra para o processo de retificação, pois, conforme Diniz et al[5], a faixa aceitável para o processo de retificação deve estar entre 0,2 e 1,6 μm.

A figura 3a (pág. 35) relaciona dois parâmetros e mostra o comportamento da aceleração média em função dos valores de heq. Essa análise permite estudar o comportamento da vibração mediante a espessura de material removida do corpo de prova, em cada profundidade de corte, pelo rebolo.

Observa-se que o comportamento do sinal é diferente dos anteriores, devido o parâmetro heq apresentar uma relação mais próxima com o comportamento do processo de retificação de cerâmicas (já que heq expressa os parâmetros de usinagem utilizados simultaneamente), incluindo mais informações sobre os fenômenos que eventualmente ocorrem no processo.

Nota-se que a vw maior (marcador vermelho) gera uma condição de cor te mais severa, resultando em maiores forças de corte e, consequentemente, maior vibração. Portanto, uma vw maior faz com que o rebolo se desgaste mais rápido, devido ao aumento das forças de corte e da vibração, durante a sua vida útil.

Observa-se que a tendência da aceleração é aumentar sua amplitude, ao longo dos valores de heq, semelhante às figuras anteriores. No entanto, nesse caso, o comportamento dos valores em cada vw é distinto um do outro e não há sobreposição dos desvios padrão entre as vw.

A figura 3b apresenta o mesmo procedimento realizado na figura 3a, porém, dessa vez com objetivo de verificar o comportamento da rugosidade em função do heq. Nota-se um comportamento semelhante ao que é mostrado na figura 2b, ou seja, uma tendência de crescimento da amplitude conforme a taxa de remoção de material aumenta. Para o parâmetro heq, novamente pode-se observar que o comportamento da aceleração e da rugosidade tem influências das vw opostas e não há correlação, pois os desvios padrão se sobrepõem nas condições de corte.

Quando a maior vw é utilizada, devido ao menor tempo de contato do rebolo com a peça durante o passe de usinagem, a rugosidade da peça é menor, considerando o valor médio. Assim, conforme mostram as figuras 2a e 3a, esse fenômeno faz com que a vibração seja maior devido à elevação da velocidade da peça, modificando a geometria do cavaco gerado, o que interfere na agressividade do rebolo.

A figura 4 (pág. 36) mostra a comparação entre a aceleração e rugosidade das peças retificadas. Pode-se observar que o comportamento da vibração com a rugosidade é bem diferente das análises anteriores. Além de apresentar dois parâmetros, foi constatado anteriormente que ambos não têm uma correlação sob influência da vw. Pode-se observar na vw = 58 mm/s que a faixa de aceleração está aproximadamente entre 20 e 40 m/s2, enquanto na vw = 125 mm/s, a faixa está entre 40 e 60 m/s2.

É interessante notar, na figura 4, que não há correlação entre os valores de aceleração e rugosidade, basta notar que, em alguns casos, para um mesmo valor de aceleração podem ser encontrados dois ou mais valores de rugosidade. Daí, infere-se que uma grandeza não está diretamente relacionada com a outra em cada vw.

Além disso, há sobreposição e valores altos de desvio padrão. Portanto, mesmo para as condições que expressam maior atividade vibracional e, consequentemente levam o rebolo a se desgastar mais rápido, por ocorrerem as maiores atividades de corte, podem-se obter valores de rugosidade aceitáveis, e dentro da faixa padrão de 0,2 a 1,6 μm.

Na figura 5 (pág. 36), é apresentado o espectro da aceleração, a fim de se estudar as frequências de vibração nos experimentos. O espectro foi determinado pela FFT, considerando três condições de ae = 25, 105, e 350 μm.

Figura 3 – Média e desvio padrão da rugosidade (a) e aceleração (b) em função da espessura de corte equivalente

 

Observa-se que os três sinais apresentam um único pico mais significativo de amplitude, nas duas vw, que se encontra na faixa de frequência de 800 a 2.000 kHz. Este trecho caracteriza o momento do passe do rebolo sobre o corpo de prova, durante o qual estão definidas nitidamente as três condições que descrevem o comportamento e a tendência da vibração em todo o ensaio.

Fora desta faixa, os três sinais permanecem sobrepostos um ao outro, em baixas e altas frequências.

O sinal pertencente à condição ae = 25 μm se manteve com amplitude mais baixa, apresentando um pico de vibração menor. Picos maiores ocorreram nas condições de a e = 150 e 350 μm, essa última, por ser a condição mais severa, apresenta um pico mais elevado em relação às outras condições, caracterizando a maior atividade de vibração nas duas vw utilizadas no ensaio.

Nota-se que, nesta análise, a vw = 125 mm/s tem amplitudes do sinal maiores que a vw = 58 mm/s nos três sinais. Isso indica, mais uma vez, que na maior vw, o sinal tem mais atividade vibracional.

Conclusão

Com base nos resultados obtidos no presente trabalho, considerando as variáveis de saída: aceleração e rugosidade, pode-se concluir que não houve uma correlação significativa que pudesse demonstrar algum efeito da vibração na rugosidade das peças. Nas duas vw

Qualidade superficial

Figura 4 – Rugosidade média em função da aceleração

utilizadas, aceleração e rugosidade seguem uma tendência de crescimento, considerando os valores médios, conforme a profundidade de corte é maior.

Em relação à rugosidade, foi constatado que, para uma vw mais baixa, – no caso, a vw = 58 mm/s –, a rugosidade foi maior, considerando os valores médios. Utilizando uma vw mais alta – no caso a vw = 125 mm/s –, foram obtidos valores médios de rugosidade mais baixos, comparando a mesma escala de amplitude utilizada para a vw mais baixa.

A tendência de aumento das vibrações ocorridas durante o ensaio acontece quando a maior vw é utilizada e quando o ensaio é executado a profundidades de cortes mais severas, conforme mostra o espectro de aceleração por meio da FFT. Não foi obtido um valor de aceleração extremamente alto e fora do padrão, mas foi constatado um comportamento vibracional mais severo com o aumento das profundidades de corte e com o crescimento dos valores de heq. Isso leva a crer que as forças de corte envolvidas no processo também aumentam, podendo consequentemente reduzir a vida útil do rebolo.

Foi possível obter peças com boa qualidade superficial mesmo quando os níveis de vibração foram mais altos na escala de amplitude, considerando os valores médios. Os experimentos realizados nas duas vw apresentaram valores de rugosidade dentro de uma faixa aceitável de acordo com a literatura. Contudo, não há correlação entre as variáveis rugosidade e aceleração, uma vez que os intervalos de confiança (desvios padrão) se sobrepõem em todos os pontos do gráfico.

Figura 5 – Espectro de frequência da aceleração: vw de 58 mm/s (a) e vw de 125 mm/s (b)

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