Estudo de métodos alternativos à refrigeração convencional na retificação centerless | MM
O objetivo deste trabalho foi estudar a implementação MQL em substituição ao método convencional na retificação centerless de um aço ABNT 1025. Para isso, foi desenvolvido um dispositivo específico, a fim de evitar danos térmicos superficiais nas peças de trabalho. O desempenho foi medido considerando a rugosidade Rz e comparando os resultados com o sistema de refrigeração tradicional.
E. L. Barbosa, E. M. Arruda, T. H. Panzera e L. C. Brandão
Edição: MM Junho 2017 - Ano - 53 No 617
Figura 1 – Grandezas elementares de uma retificadora centerless de mergulho[3]
Diferentemente de outras operações de usinagem, a retificação caracteriza-se por ser um processo por abrasão. Ela é utilizada na fabricação de peças que devem apresentar dimensões e formas rigorosas, rugosidades superficiais mínimas e elevada dureza (acima de 40 HRC).
As ferramentas abrasivas (rebolos) utilizadas nesta operação não têm uniformidade e atuam de forma diferenciada sobre a peça retificada[7]. Além de ser completamente diferente, o processo de retificação tem seis elementos básicos que influenciam na qualidade do produto retificado: a retificadora, o rebolo ou ferramenta de usinagem, a peça a ser retificada, o fluido de corte, a atmosfera envolvente ao processo de retificação e o centelhamento provocado durante o processo de retificação[8].
Na busca pela melhor relação custo/benefício, que é importante para garantir a participação das indústrias no mercado extremamente competitivo, destaca-se o processo de retificação do tipo centerless[4]. Ele confere à peça características dimensionais de alta precisão, como acabamento superficial, isto é, baixa rugosidade, e baixo erro de circularidade, além de uma alta capacidade produtiva, que são condições dificilmente obtidas por outros processos de fabricação[5].
A complexidade deste processo, conforme pode ser observado na figura 1 (pág. 28), exige dos profissionais responsáveis pela sua utilização um alto grau de conhecimento, para garantir o desempenho esperado. Pode-se considerar, de acordo com Souza et al[9], que o erro geométrico na superfície é afetado tanto por efeitos térmicos quanto pela rigidez da máquina-ferramenta.
O processo de retificação requer uma quantidade considerável de energia por unidade de volume, para que seja feita a remoção do material. Durante o processo, esta energia é transfor mada em calor, o qual se concentra na região de corte. As altas temperaturas podem causar vários tipos de danos térmicos à peça. A queima superficial e as modificações microestruturais e da superfície da peça são alguns exemplos destes danos.
Figura 2 – Tribologia do processo de usinagem[2]
Este aquecimento pode acarretar a têmpera superficial e retêmpera de alguns materiais (em usinagem de aço temperado). Pode também formar a martensita não amolecida, que, neste caso, pode gerar tensões residuais de tração. Dessa forma, pode-se considerar que quanto maior for a temperatura, maior será o impacto sobre a peça e o rebolo utilizado na retirada do material.
Historicamente, há mais de 100 anos, encontrávamos a água como fluido de corte, utilizada principalmente como um refrigerante, devido à sua alta capacidade térmica e disponibilidade. Porém, a presença de corrosão nas peças, nos equipamentos e as lubrificações ineficientes eram alguns dos inconvenientes de tal aplicação.
Com o passar do tempo, os óleos minerais começaram a ser utilizados. Apesar de possuírem maior capacidade de lubrifi cação, eles apresentavam baixa capacidade de arrefecimento e elevados custos, comprometendo as aplicações no corte e restringindo a sua aplicação. Mais tarde, foi descoberto que o óleo adicionado à água (com um emulsificante apropriado) daria boas propriedades de lubrificação, com bons efeitos de arrefecimento. Eles ficaram conhecidos como óleos solúveis.
Os óleos solúveis, além de serem bons lubrificantes e ainda terem a função de arrefecimento, atuam também diretamente na região da zona de retificação. Carregar a borra de retificação proveniente do arrancamento de material que sai da peça usinada e do rebolo também é um dos objetivos do fluido de corte, conforme mostra a figura 2.
O primeiro objetivo da utilização do fluido de corte no processo de retificação é a redução da temperatura na zona de trabalho. Em segundo plano, está o fato dele ajudar no controle da expansão e da contração térmica da peça durante a retificação, evitando a possibilidade da ocorrência de erros na dimensão e na forma do componente, principalmente os erros de circularidade.
Outro objetivo da utilização do fluido de corte é a limpeza da ferramenta e do equipamento, conduzindo todos os resíduos metálicos (borra de retificação) provenientes do arrancamento de material na peça usinada para os locais destinados à separação. Estes locais são comumente conhecidos como sistemas de regeneração.
Figura 3 – Dispositivo direcionador de fluidos convencional com 19 bicos dosadores (a) e detalhes dos bicos direcionadores (b)
Faz-se necessária também a lubrificação de todos os componentes envolvidos no processo de retificação. Esta lubrificação reduz o desgaste por atrito do rebolo na peça, bem como o desgaste da régua de apoio. Por fim, o último objetivo do fluido de corte é a proteção do equipamento contra a oxidação das partes metálicas.
No entanto, todas estas vantagens do uso do fluido de corte no processo de retificação vêm sendo questionadas. Alguns pontos negativos são evidenciados, como os danos ambientais, os problemas relativos à saúde dos operadores e os aspectos econômicos. Desta for ma, em muitos casos, o custo com o fluido de corte é superior ao das ferramentas utilizadas no processo.
A finalidade do fluido de corte era a de simplesmente diminuir o atrito entre as peças e a superfície de corte, frente à grande dificuldade da aplicação de refrigeração em um processo de retifi cação[10]. Alguns estudos, por outro lado, sugerem a aplicação de óleos vegetais como alternativa, focada em questões como desempenho, custo, saúde, segurança, além dos aspectos ambientais.
Klocke e Eisenblatter[6] demonstraram interesse na usinagem a seco. Este estudo veio ao encontro das preocupações ambientais, porém os pesquisadores encontraram algumas restrições quando se necessitava de uma usinagem mais eficiente, com uma demanda maior, considerando a precisão exigida no acabamento final da peça e as condições de cortes severas.
Embora o MQL apresente um resultado satisfatório em outros processos, principalmente nos que utilizam ferramentas com aresta de corte definida, percebe-se que não são encontrados muitos estudos no processo de retificação, principalmente em retificadoras do tipo centerless. Acredita-se que a sua aplicação proporciona uma redução significativa na utilização do fluido refrigerante, mas mantém a eficiência do processo, atendendo às legislações ambientais e garantindo, principalmente, a qualidade final da peça[1].
Os testes foram realizados em uma retificadora da fabricante Cincinnati, modelo Twin Grip 350-20 RK, com 50 HP de potência. Os corpos de prova utilizados foram barras cilíndricas de aço ABNT 1025. Eles apresentavam, antes do processo de retificação, um diâmetro externo de 16,19 mm; com uma região temperada com dureza de 73 HRA em uma camada superficial média de 1 mm. O comprimento total de cada corpo de prova utilizado nos experimentos foi de 220 mm.
Utilizou-se um rebolo de cor te Saint-Gobain Nor ton, com 609,6 x 508,0 x 304,8 mm, 220/220, regulado a uma rotação de 1.300 rpm; e um rebolo de arraste Norton UL, com 355,6 x 508,0 x 152,4 mm, A80RR, regulado a uma rotação de 43 rpm. A velocidade de passagem foi mantida constante e igual a 4,5 m/min.
Os fluidos de corte utilizados foram: o convencional Fuchs Ecocool P1978 na forma de emulsão, com concentração entre 6% e 8% em água, e o apropriado para a aplicação de MQL, Accu-Lube LB 1000. Este último com as características de aparência: óleo viscoso azul escuro, densidade específica de 0,94 g/ml, viscosidade de 32 a 39 cSt (40 °C), ponto de fluidez de -15 °C, 0% de óleo mineral e insolúvel em água.
Para a aplicação direcionada do fluido de corte AccuLube LB 1000, pelo sistema de MQL na zona de retificação, utilizou-se o equipamento Accu-Lube modelo 04AD-STD. O equipamento podia ser adaptado para o uso de até quatro bicos direcionadores por aparelho. Para cobrir toda a extensão do rebolo foram utilizados dois aparelhos, ambos com bomba de pressão. Para ser possível uma boa aplicação de óleo em toda extensão da peça, foram utilizados bicos aplicadores tipo leque, com vazão constante de 2,5 mL/min.
Para a aplicação do fluido de corte emulsionável, foram confeccionados dois dispositivos direcionadores de fluido. Estes dispositivos utilizados variavam o número de bicos por toda a extensão do sistema de fi xação. O primeiro dispositivo apresentou um total de dez bicos distribuídos por uma dimensão de 550 mm, equidistantes a 50 mm, com uma vazão de 16,86 L/ min. O segundo dispositivo apresentou um total de 19 bicos distribuídos pela mesma dimensão, porém montados equidistantes a 25 mm e com uma vazão de 19,1 L/min, conforme mostra a figura 3 (pág. 30).
A temperatura do fluido de corte convencional foi mantida próxima de 32oC. Os bicos direcionadores apresentavam um ângulo de 44,2o e um comprimento de 9,8 mm, proporcionando a aplicação do fluido de corte em forma de jato, tipo leque. Ambos os dispositivos foram montados na retificadora centerless, sendo o jato direcionado para o ponto de tangência entre o rebolo de corte e a peça a ser retifi cada, no vão de retificação. A altura de montagem dos dispositivos (distância entre os bicos direcionadores e a peça a ser retifi cada) também foi alternada no vão de retificação, em duas configurações: 100 e 150 mm.
Os experimentos tinham como objetivo avaliar o desempenho do sistema MQL aplicado em taxas de fluxo muito pequenas, comparando-o com o sistema de lubrificação/ refrigeração convencional, ou seja, em abundância. Para isto, uma metodologia adequada foi empregada para analisar a quantidade de fluido de corte aplicado no processo e suas consequências.
Figura 4 – Comportamento da régua de apoio ao término dos experimentos
A avaliação técnica na retificação usando o sistema de MQL consistia em analisar a qualidade superfi cial dos corpos de prova, por meio da variável de saída: rugosidade R z. O planejamento experimental, conforme mostrado na tabela 1, foi desenvolvido sobre as três variáveis de entrada: sistema de lubrificação/refrigeração, número de bicos e distância, variando-as em dois níveis.
Logo após a regulagem do equipamento, depois da alteração das características do experimento, foi realizada a medição do diâmetro externo dos cinco primeiros corpos de prova. Adotou-se a distância de 50 mm das extremidades superior e inferior do corpo de prova, de acordo com a especificação. Foi utilizado um micrômetro externo digital, 0 a 25 mm, 0,001 mm MDC 25SB, da Mitutoyo. Após a retificação, de acordo com especificações técnicas, os corpos de prova deveriam ter o diâmetro externo entre 15,795 e 15,815 mm.
Também foi feita a medição da temperatura no centro de dez corpos de prova (aproximadamente 110 mm da extremidade do corpo de prova), logo após a regulagem da máquina e início do experimento. Utilizou-se um termômetro digital infravermelho MT-350, LCH 067. Os corpos de prova deveriam apresentar temperatura inferior a 27oC. Como variável de resposta, foi selecionada a rugosidade no parâmetro Rz. Este foi o modo de avaliar o efeito de todas as variações realizadas durante o período experimental. Assim, após a saída dos corpos de prova da retificadora, media-se a rugosidade na metade do comprimento dos corpos de prova, com a utilização de um rugosímetro da Mahr, modelo TYP-M2.
A cada início dos experimentos, foi feita a dressagem dos rebolos de corte e de arraste. Ela possibilitou a afiação dos rebolos, preparando-os para os experimentos. Durante a execução dos experimentos e ao seu término, os rebolos eram monitorados visualmente, para avaliar o seu acabamento superficial.
Os resultados descritos abaixo permitiram, por meio de sua análise, a comprovação de forma clara dos efeitos da aplicação de MQL, do número de bicos direcionadores e da alteração da distância entre os bicos e a peça a ser retificada, além da influência da interação entre eles.
Durante todo o período experimental, o compor tamento do equipamento foi monitorado quanto aos aspectos de regulagem e nível de limpeza entre a régua de apoio e a peça. Qualquer sujidade depositada entre a régua e a peça alteraria o posicionamento da mesma, em relação aos rebolos de corte e arraste.
Essa alteração comprometeria o posicionamento da peça no vão de retificação, acarretando em danos no acabamento superficial. Nenhuma alteração dessa natureza foi identificada no decorrer dos experimentos, não sendo necessárias regulagens adicionais.
A régua de apoio manteve-se limpa e isenta de sujidades, conforme mostra a figura 4. Todo o cavaco gerado durante o processo de retificação foi direcionado para o duto de saída, deixando a máquina sempre limpa. Não foram identificados indícios de oxidação dos componentes da máquina.
Comportamento dos rebolos
Aspectos visuais e a possível perda das arestas de corte, percebidas pelo "empastamento" dos rebolos, acarretariam na perda da função de corte do rebolo. Este comportamento deve-se à falha na limpeza dos rebolos e da peça durante o processo de retificação, podendo ser gerada em função de uma quantidade insuficiente de fluido de corte ou mau direcionamento do mesmo durante o processo.
O acabamento superficial, principalmente a rugosidade, poderia ser comprometido em função dessa falha. Mesmo com a aplicação reduzida de fluido de corte, se comparada com a sua aplicação em abundância, os rebolos mantiveram-se íntegros. A lavagem dos rebolos foi satisfatória. Mantiveram-se perfeitamente limpos durante todo o período experimental.
Foram retificadas 396 peças durante todo o experimento. Destas, foram retiradas 80 peças para a medição da rugosidade no laboratório de metrologia. Este total de peças retificadas durante os experimentos equivaleria, em condições normais, à aproximadamente metade da frequência de dressagem do rebolo de corte, que hoje ocorre a cada duas horas de produção.
Comportamento das peças na saída do processo de retificação
A primeira característica monitorada com o uso de um termômetro digital infravermelho foi a temperatura de saída das peças. A redução do fluido de corte fora dos limites toleráveis acarretaria no sobreaquecimento das peças e, consequentemente, em danos superficiais. No entanto, não foi percebido nenhum comportamento anormal durante a execução dos experimentos. Assim, notou-se que as peças saiam com a temperatura dentro do especificado.
Figura 5 – Volume do fluido de corte utilizando calha (processo convencional)
Outra característica importante era o nível de limpeza das peças após o processo de retificação. Além das questões dimensionais, as peças retificadas precisariam estar isentas de sujeiras superficiais em forma de incrustações de borra de retificação. A redução do fluido de corte fora dos limites toleráveis poderia acarretar em uma lavagem deficiente das peças e, consequentemente, na deposição de borra nas peças. Todas as peças foram monitoradas e apresentaram resultados satisfatórios, se comparados com os níveis aceitáveis de acordo com a especificação e o processo utilizando lubrificação/refrigeração em abundância.
Por fim, foi monitorada a deposição da camada protetiva do fluido de corte sobre a peça retificada. Posteriormente à retificação, temos um processo de galvanoplastia. A não deposição deste filme protetivo deixaria a superfície exposta à oxidação. Foi possível perceber um resultado satisfatório. Mesmo após 24 horas das peças terem sido retificadas, elas não apresentaram sinais de oxidação.
Comportamento do fluido de corte
Figura 6 – Volume do fluido de corte utilizando dispositivo direcionador (19 bicos)
Durante o período experimental, o comportamento do fl uido lubrifi cante foi monitorado (figuras 5 e 6). Mediu-se a vazão utilizada rotineiramente no equipamento (fluido em abundância), tendo como resultado a vazão de 190 L/min. A vazão do dispositivo com dez bicos apresentou resultado de 16,9 L/min. Já no dispositivo com dezenove bicos, a vazão encontrada foi de 19,1 L/min. Esta diminuição deve-se ao projeto dos dispositivos, que tinha como objetivo justamente a diminuição desta vazão.
Esta redução foi monitorada durante todo o período experimental, pois uma diminuição drástica, abaixo do limite tolerável, poderia comprometer a condução do cavaco (borra). Como esta redução foi conduzida juntamente com o melhor direcionamento do fluido de corte, percebeu-se uma correta condução da borra.
O dispositivo direcionador aplicava o fluido de corte exatamente na região de arrancamento do material por abrasão. Com a aplicação direcionada do fluido de corte, mesmo com a diminuição da vazão, este apresentou fluxo normal de escoamento para os dutos de saída.
Visualmente, notou-se uma maior concentração de cavaco no fluido de corte. Isso se deve à redução da vazão de fluido de corte e à manutenção da quantidade de cavaco gerado. Uma concentração maior de cavaco poderia acarretar na deposição de borra em pontos de escoamento do fluido de corte. Monitorou-se o escoamento do fluido de corte em toda a extensão do equipamento, não havendo o comprometimento da limpeza da máquina e da peça.
Comportamento da atmosfera envolvente
Durante o período experimental, monitorou-se visualmente o comportamento da atmosfera envolvente ao processo de retificação. A rotação do rebolo de corte com a aplicação do fluido de corte em abundância gerou uma turbulência interna na carenagem do equipamento. O projeto desta carenagem possibilita a passagem de névoa de óleo em aspersão para o ambiente, por não ser totalmente hermética. Esta névoa, se aspirada pelo operador, acarreta em danos à saúde.
Figura 7 – Gráfico de Pareto dos efeitos das variáveis (rugosidade Rz, α = 95%)
No período experimental, durante o qual foram utilizados os bicos direcionadores, notou-se uma melhoria da névoa em aspersão. Com a aplicação direcionada do fluido de corte e a redução de sua vazão, obteve-se uma atenuação da turbulência interna. Esta diminuição acarretou na baixa geração de névoa, possibilitando a abertura da carenagem em algumas fases do período experimental.
Neste estudo, todos os resultados foram checados utilizando a análise de variância. Pode-se dizer, com 95% de confiabilidade, que as variações dos parâmetros de entrada: sistema de lubrificação/refrigeração (A), número de bicos (B) e distância (C), as interações entre número de bicos e distância (BC) e entre sistema de lubrificação/refrigeração, número de bicos e distância (ABC), apresentaram efeitos significativos na variação da rugosidade Rz.
Figura 8 – Relevância individualizada dos níveis de variável de entrada e influência de rugosidade Rz
Este resultado é representado pela figura 7, na qual todas as variáveis de entrada e as interações significativas têm sua representação no gráfico de Pareto. O posicionamento de cada variável e/ou interação sobre a linha vermelha demonstra sua relevância e, por meio do resultado estatístico, foi possível identificar quais variáveis tinham maior e menor relevância.
O número de bicos (B) apresentou a maior relevância, indo até a interação entre as três variáveis (ABC) com a menor relevância. As interações entre os fatores de sistema de lubrificação/refrigeração e número de bicos (AB) e sistema de lubrificação/refrigeração e distância (AC) não apresentaram relevância, por estarem abaixo da linha vermelha.
Analisando individualmente o comportamento de cada variável de entrada, por meio dos resultados obtidos e demonstrados graficamente, conforme figura 7, temos:
Figura 8 (a) (pág. 38) – Existe uma relevância na variável sistema de lubrificação/refrigeração. O uso dos bicos direcionadores demonstrou-se melhor para a diminuição da rugosidade Rz. Porém, o bico em leque do direcionador deve ser montado o mais próximo possível da peça.
Figura 8 (b) – Nota-se a relevância da variável número de bicos. O aumento da quantidade de bicos direcionadores contribui diretamente para a melhoria da rugosidade Rz. O número de bicos igual a 19 demonstrou que este é o melhor nível da variável, para melhoria da rugosidade Rz. Com a utilização de 19 bicos, houve um aumento de 13% na vazão do fluido de corte. Este crescimento acarretou na melhoria da lubrifi cação da peça, melhorando o resultado da rugosidade Rz.
Figura 8 (c) – Percebeu-se grande relevância na distância dos bicos até a peça. Com 100 mm, nota-se que este é o melhor nível para a melhoria da rugosidade Rz. Também houve uma melhor aplicação do fluido de corte em todo o comprimento da peça.
Figura 9 – Interação entre as variáveis de entrada e seus respectivos níveis sobre a rugosidade Rz
A figura 9 (pág. 38) representa grafi camente a interação entre as três variáveis de entrada. Analisando individualmente cada seção da figura, temos:
Figura 9 (a) – Representa a interação entre o sistema MQL e o número de bicos. O valor da menor rugosidade é obtido por meio da aplicação de emulsão com bicos direcionadores e da utilização do dispositivo contendo 19 bicos. A não aplicação do MQL, que evita a retirada do fluido lubrificante em emulsão e a maior vazão de fluido, tem como efeito a redução do valor da rugosidade.
Figura 9 (b) – Representa a interação entre o número de bicos e a distância do dispositivo. O valor da menor rugosidade é conseguido por meio do maior número de bicos e da menor distância. Um maior número de bicos e uma melhor proximidade dos bicos na peça melhoram a lubrificação e, consequentemente, o resultado da rugosidade.
Figura 9 (c) – Representa a interação entre o MQL e a distância entre os bicos direcionadores. A não aplicação de MQL, combinada com a menor distância, apresenta a menor rugosidade. A aplicação de emulsão com bicos direcionadores, sem aplicação de MQL, garante a perfeita lubrificação das peças, gerando um decréscimo no valor da rugosidade Rz.
Com os resultados, é possível concluir que ocorreu uma melhoria na aplicação de fluido lubrificante/refrigerante, se comparado ao método convencional. Por meio desta condição otimizada, pode-se concluir que:
O equipamento se manteve em condições satisfatórias, limpo e isento de borras de retificação. Além disso, os rebolos de corte e arraste mantiveram-se limpos, sendo mantidas as arestas de corte;
Não foram necessárias dressagens adicionais aos rebolos, pois os mesmos se mantiveram em condições normais, mesmo com a redução da vazão do fluido de corte lubrificante/refrigerante;
Ocorreu uma melhoria na qualidade da atmosfera envolvente no processo de retificação, graças à eliminação da névoa em aspersão fora da carenagem do equipamento;
Esta melhora foi possível pela utilização de um dispositivo contendo bicos direcionadores do fluido emulsionável e pela menor distância dos bicos em relação à peça;
Ocorreu uma redução da vazão do fluido lubrificante/refrigerante emulsionável, que era aplicado a uma vazão de 190 L/min antes do uso dos bicos direcionadores. Dessa forma, com o uso do sistema de bicos direcionadores, a vazão foi reduzida para 19,1 L/min.
Belentani, R. M.; Funes Jr., H.; Canarim, R. C.; Diniz, A. E.; Hassui, A.; Aguiar, P. R.; Bianchi, E. C.: Utilization of minimum quantity lubrication (MQL) with water in CBN grinding of steel. Materials Research, v. 17, p. 88-96, 2014.
Brinksmeier, E.; Heinzel, C.; Wittmann, M.: Friction, cooling and lubrication in grinding. Annals of CIRP – Manufacturing Technology, v. 48, no 2, p. 581-598, 1999.
Gonçalves, L. M.; Miranda, G. W.: Software paramétrico para o processo de retificação centerless de passagem. In.: Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica CIBIM 8o, Cusco, Peru, 2007.
Hafenbraedl, D.; Malkin, S.: Tecnologia ambientalmente correta para retificação cilíndrica interna. Revista Máquinas e Metais, v. 37, p. 40-55, 2001.
Hitchiner, M. P.; McSpadden, S. B.: Evaluation of factors controlling cbn abrasive selection for vitrified bonded wheels. Annals of CIRP, v. 54, no 1, p. 277-280, 2005.
Klocke, F.; Eisennblatter G.: Dry cutting. Annals of CIRP 46, v. 2, no 2, p. 519-526, 1997.
Kwak, L. S.; Sim, S. B.; Jeong, Y. D.: An analysis of grinding power and surface roughness in external cylindrical grinding of hardened SCM440 steel using the response surface method. International Journal of Machine Tools & Manufacture, v .46, no 3-4, p. 304-312, 2006.
Marinescu, I. D.; Hitchiner, M.; Uhlmann, E.; Rowe, W. B.; Inasaki, I.: Handbook of machining with grinding wheels. Taylor & Francis Group, 629 p., 2007.
Souza, C. N.; Catai, R. E.; Aguiar, P. R.; Salgado, M. H.; Bianchi, E. C.: Analysis of diametrical wear of grinding wheel and roundness errors in the machining of steel VC 131. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Science, v. 24, no 2, p. 209-212, 2004.
Tasdelen, B.; Thordenberg, H.; Olofsson, D.: An experimental investigation on contact length during minimum quantity lubrication (MQL) machining. Journal of Materials Processing Technology, v. 203, no 1-3, p. 221-231, 2007.