O sistema de monitoramento de emissão acústica (EA) tornou-se um recurso da usinagem de precisão que apresenta bons resultados em monitoramentos de processo, principalmente no que diz respeito a desgaste de ferramentas e das máquinas. Na retificação, é útil para recuperar a capacidade de corte da superfície do rebolo durante a operação de dressagem.

Considerando as aplicações e desempenho do sistema de EA, para este trabalho a quantificação foi realizada por meio da relação das curvas de emissão acústica com o desgaste volumétrico sofrido pelos três tipos de diamante do dressador de ponta única. Depois, foram estabelecidas as comparações entre eles. A partir dessas comparações, foi possível determinar o comportamento do diamante CVD nacional em relação aos outros dois tipos importados, tidos como parâmetros.

No processo de retificação, o desgaste na superfície de corte do rebolo gera arestas de corte cegas e poros impregnados de cavaco, entre outros danos, o que favorece o aumento do atrito na superfície de contato entre o rebolo e a peça que está sendo retificada. Para se obter-se um bom desempenho na retificação, deve-se manter o rebolo em condições ideais de usinagem.

Rebolos

Os rebolos podem ser classificados segundo as características do tipo de abrasivo, do ligante, dureza dos grãos, granulometria e dimensões estruturais. O seu desgaste, por sua vez, pode ser classificado em três tipos que, segundo Malkin[13], ocorrem simultaneamente em diferentes proporções: abrasão do grão e fraturas tanto do grão como do ligante.

Dressagem

A operação conjunta de perfilamento e avivamento dos rebolos na retificação, denominada dressagem[14], pode ser considerada um método de pouco conhecimento tecnológico se comparada aos processos convencionais de usinagem[1].

De acordo com Marinescu et al[14], os dressadores podem ser rotativos e estáticos. E para removerem material da superfície de corte do rebolo, devem ser fabricados com diamantes.

No presente trabalho, foi utilizado um dressador estático de ponta única, com uma pedra de diamante (na ponta) proporcional ao diâmetro do rebolo.

Monitoramento por EA

Uma das formas mais eficientes para medir o desgaste provocado entre dressador e rebolo é por meio da emissão acústica gerada durante a dressagem[12]. Esse sistema de monitoramento e controle foi utilizado por Inasaki[10], segundo o qual a emissão acústica representa uma energia resultante da interação entre o grão abrasivo e a peça, que se propaga através da estrutura do material.

De modo geral, a EA pode ser definida como ondas elásticas transientes geradas por rápida liberação de energia proveniente de uma ou mais fontes de deformação ou fratura, ou ambas, localizados em um material[9]. Segundo Dornfeld et al[8], em muitos casos os fatores que mais afetam o sinal de energia acústica são suficientemente dominantes em relação aos efeitos de segunda ordem. Nesses efeitos de segunda ordem incluem-se os contatos peça-ferramenta, sinais elétricos ou ruídos, evaporação do fluido, fluxo e turbulência do fluido de corte.

Assim, fica evidenciado que o sinal de EA é suficientemente sensível para acompanhar o progressivo desgaste do dressador durante a operação de dressagem. Durante o monitoramento da dressagem, a tendência do sinal do sensor de EA é aumentar a cada passada do dressador no rebolo. Se o rebolo tiver sido usado, o tempo de contato também aumentaria, uma vez que o dressador recupera os cantos do rebolo[11].

Diamantes utilizados

Existem dois tipos distintos de diamante que diferem em relação à origem: naturais e sintéticos. No presente trabalho, serão utilizados os dois tipos de diamantes aplicados em dressadores de ponta única, a fim de diferenciá-los quanto ao desempenho na dressagem.

Diamantes sintéticos

Nas décadas de 1950 e 1960, as pressões utilizadas para a fabricação de diamantes sintéticos em laboratório eram superiores a 60.000 atm e temperaturas atingiam mais de 1.700°C[7]. As aplicações principais para esse diamante sintético eram ferramentas de corte e polimento de superfícies. Na década de 1970, começaram a surgir pesquisas acadêmicas para obter pequenas camadas de diamantes a partir de gases que possuíam carbono em sua composição[7].

Essas camadas, denominadas filmes, eram produzidas sob pressões abaixo de uma atmosfera e em temperaturas abaixo de 900°C, em substratos incrustados com pó de diamante. A partir disso, a técnica de obtenção de diamante a partir de um gás precursor foi disseminada pelo mundo, como um método muito mais fácil e produtivo do que o utilizado anteriormente. A esse diamante sintético denominou-se diamante CVD[3].

Os métodos de obtenção do diamante CVD diferem basicamente pelo processo utilizado na decomposição e ativação da mistura gasosa, que resultarão em um gás ionizado, conhecido como plasma. As técnicas conhecidas são o plasma gerado por micro-ondas (MWCVD)[4], filamento quente (HFCVD)[15], chama de acetileno e oxigênio (ATCVD) [17] e jato de plasma (AJCVD) 16]. Apesar de permitirem a obtenção de filmes com boa qualidade e com aplicações bem-sucedidas, os processos envolvidos no crescimento dos filmes ainda não foram completamente esclarecidos.

Muitos trabalhos já foram publicados com o objetivo de aumentar esse conhecimento[2]. Porém, nenhuma das películas já produzidas possui a regularidade cristalina em larga escala dos diamantes naturais. As propriedades mecânicas, elétricas e ópticas das películas de diamante já sintetizados se aproximam daquelas do diamante bruto, mas ainda não de forma altamente satisfatória[6].

Figura 1 – Sinal RMS de EA na faixa de frequência de 3 a 9 kHz para o diamante sintético CVD

 

Diamantes naturais

As propriedades mecânicas do diamante natural têm sido extensivamente pesquisadas nas últimas

cindo décadas, mas mesmo considerando as várias pesquisas feitas sobre o tema, poucas alcançaram alto nível de satisfação, devido às características impar do diamante[5].

O diamante natural, que continua com as propriedades físico-químicas inimitáveis (relativamente à dureza, baixa densidade, baixo coeficiente de expansão térmica, alto índice de refração, a maior condutividade térmica em temperatura ambiente, transparência óptica, isolamento térmico e inércia química)[2], pode ser definido como um polimorfo metaestável do carbono, em temperaturas e pressões atmosféricas ambientais. Além disso, apresenta condutividade térmica alta para um material não metálico, é transparente nas regiões visível e infravermelho do espectro eletromagnético e possui elevado índice de refração[6].

A sua estrutura cristalina (estrutura cúbica) é encontrada em outros elementos, como o germânio, silício e estanho esfarelado abaixo de 13°C[6].

Essas propriedades o tornam extremamente atrativo. A grande desvantagem do diamante natural para o uso industrial é o seu elevado custo e a dificuldade de encontrá-lo na natureza[6].

Materiais e métodos

O trabalho experimental foi realizado no Laboratório de Usinagem por Abrasão (LUA) do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (Unesp), campus de Bauru. Para a realização dos ensaios foram utilizados nove dressadores de ponta única de três tipos diferentes, uma retificadora plana fabricada pela Sulmecânica, modelo 1055E, e o sistema de monitoramento por emissão acústica DM-42 da marca Sensis com um sensor de EA da mesma marca.

Também foram utilizados três rebolos fabricados pela empresa Norton, feitos de abrasivo convencional de óxido de alumínio com ligante vitrificado, dureza L (média), granulometria 150 (muito fina) e dimensões de 355,6 x 25,4 x 127 mm.

Dentre os principais parâmetros de retificação e dressagem utilizados, a velocidade transversal do rebolo foi mantida constante a 3,45 mm/s para os ensaios dos três tipos de dressadores. A velocidade do inversor do motor da retificadora também foi constante para os ensaios, bem como a frequência. A profundidade de dressagem ad, de 40 mm, também foi constante e o parâmetro de dressagem do grau de recobrimento Ud no inicio de cada ensaio foi de 1.

Os ensaios consistiam em colocar um dressador de ponta única de um dos três tipos de diamantes (CVD sintético ou Brasil Extra ou Mato Grosso) em contato com o rebolo e realizar a dressagem. A cada passada do dressador no rebolo, foram coletados os dados da emissão acústica. Quando se verificava no processo de dressagem uma forte incidência de fagulhas saindo do dressador, era determinado o fim do ensaio, mostrando que a base metálica do dressador estava entrando em contato com o rebolo.

Após o termino do ensaio de determinado dressador, os dados do sinal de média quadrática (RMS) foram filtrados e separados em faixas de frequências, com o auxílio do software Matlab. Encerrada essa etapa, foi possível realizar a interpretação dos dados e a comparação entre os tipos de diamantes analisados nos dressadores.

Resultados e discussões

Com o sinal de EA adquirido durante determinada passagem do dressador no rebolo, após ser separado em faixas de frequências, pôde-se tirar uma média para o valor RMS na faixa de frequência mais adequada (no caso, entre 3 e 9 kHz). Esse valor era adotado como a intensidade do sinal na passada referente, e tornou possível a elaboração de uma curva

Figura 2 – Sinal RMS de EA na faixa de frequência de 3 a 9 kHz para o diamante natural Mato Grosso

Figura 3 – Sinal RMS de EA na faixa de frequência de 3 a 9 kHz para o diamante natural Brasil Extra

 

de tendência com a amplitude do sinal de EA em função do número de passadas.

A opção pela melhor faixa de frequência foi feita por meio da observação da faixa mais baixa, como a de menos interferência, e que não permanecia constante. Ou seja, que apresentava crescimento na amplitude durante o ensaio. Percebeu-se que o sinal de certas passadas registrou níveis bem baixos ou muito altos no caso do início dos ensaios. Isso se deve a possíveis perdas de lascas na ponta do diamante, diminuindo a área de contato com o rebolo.

Diamante sintético CVD

A curva que representa a amplitude do sinal de EA em função do número de passadas do dressador no rebolo para o diamante sintético CVD está ilustrada na figura 1 (pág. 38).

Diamante natural Mato Grosso

A curva que representa a amplitude do sinal de EA em função do

Figura 4 – Comparação dos tipos de diamantes na faixa de 3 a 9 kHz

 

número de passadas do dressador no rebolo para o diamante natural do tipo Mato Grosso está ilustrada na figura 2.

Diamante natural do tipo Brasil Extra

A curva que representa a amplitude do sinal de EA em função do número de passadas do dressador no rebolo para o diamante natural do tipo Brasil Extra está ilustrada na figura 3.

Com base nas curvas das figuras 1, 2 e 3, foi possível elaborar uma linha de tendência para o crescimento da amplitude do sinal. As linhas já constam dos gráficos, bem como suas respectivas equações.

Comparação entre os tipos de diamantes

Utilizando as respectivas linhas de tendência de cada tipo de diamante para o crescimento da amplitude do sinal de EA pelo número de passadas, fazendo as suas plotagens em um mesmo gráfico, tem-se a figura 4.

Como se pode ver no gráfico da figura 4, o diamante sintético CVD tem um crescimento da intensidade do sinal em função do número de passadas mais lento do que os demais, O diamante natural do tipo Mato Grosso, por sua vez, apresenta o maior crescimento, enquanto o Brasil Extra ficou entre os dois e mais próximo do CVD.

Ao se relacionar o desgaste do diamante com o nível do sinal de EA na faixa de frequência de 3 a 9 kHz (ou seja, quanto maior o sinal, maior o desgaste do diamante), tem-se que para um mesmo número de passadas o diamante mato grosso sofre maior desgaste, seguido do Brasil Extra e do CVD, respectivamente. Essa relação fica mais evidente ao se adotar o mesmo critério de fim de vida para o dressador: o CVD durou 165 passadas, o Brasil Extra durou 152 e o Mato Grosso, 101 passadas.

Conclusões

Com base nos dados obtidos pelo sina l de EA, e filtrados na faixa de frequência de 3 a 9 kHz, pode-se determinar uma tendência para o nível do sinal em função do número de passadas do dressador no rebolo. Essa tendência mostra-se eficaz ao ser relacionada com o desgaste do diamante: quanto maior o nível do sinal, maior o desgaste do diamante do dressador. Por outro lado, quanto maior o coeficiente angular da reta de tendência do sinal entre 3 e 9 kHz, menos dura o diamante.

Comparando os três tipos de diamantes em relação ao nível do sinal de EA já filtrado, pode-se observar que a maior taxa de desgaste ocorreu no diamante natural do tipo Mato Grosso, que pode ser considerado o de menor qualidade entre os três. Os outros dois diamantes analisados apresentaram resultados mais próximos, porém o diamante sintético CVD apresentou os melhores resultados, e pode ser considerado o de melhor qualidade.

Referências

 

1. Aguiar, P. R.; Souza, A. G. O.; Bianchi, E. C.; Leite, R. R.; Dotto, F. R. L.: Monitoring the dressing operation in the grinding process. International Journal of Machining and Machinability of Materials, v. 5, no 1, p. 3-20, 2009.

2. Angus, U. C.; Buck, F. A.; Sunkara, M.; Groth, T. F.; Hainan C. C. R.; Gat, R.: Diamond growth at low pressure. MRS Bull, 1995.

3. Angus, J. C.; Hayman, C. C.: Science. V. 241, p. 913, 1988.

4. Borges, C. F. M.; Moisan, M. E.; Gicquel, A.: Diamond and related materials. 4, 149, 1995.

5. Brookes, C. A.: Diamond in perspective: a review of mechanical properties of natural diamond. Diamond and related materials. V. I, p. 13-17, 2010.

6. Callister, W. D.: Estruturas e propriedades das cerâmicas. In: Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5^a ed., p. 275-300, Ed. LTC, 2002.

7. Davis, R. F.: Diamond films and coatings: development, properties and applications. Noyes Publications, 1993.

8. Dornfeld, D. A.; Lee, Y.; Chang, A.: Monitoring of ultraprecision machining processes. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 21, p. 571-578, 2003.

9. Duduch, J. G.; Jasinevicius, R. G.; Porto, A. J. V.; Silva, H. A. T.: Monitoramento do processo por meio de emissão acústica. Usinagem de Ultraprecisão, RiMa, Fapesp, cap. 11, p. 214, 2004.

10. Inasaki, I.: Monitoring and optimization of grinding process. Anais do Cirp, v. 40, 1990.

11. Karpuschewski, B.; Wehmeier, M.; Inasaki, I.: Grinding monitoring system based on acoustic emission sensors. Anais do Cirp, v. 49, 2000.

12. Kim, H. Y.; Kim, S. R.; Ahn, J. H.; Kim, S.H.: Process monitoring of centerless grinding using acoustic emission. Journal of Materials Processing Technology, 111, p. 273-278, 2001.

13. Malkin, S.: Grinding technology. SME, Dearborn, Michigan, 1989.

14. Marinescu, I. D.; Hitchiner, M.; Uhlmann, E.; Rowe, W. B.; Inasaki, I.: Handbook of machining with grinding wheels. 1^a e,d. Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2007.

15. Matsumoto, S.; Matsui, Y. Journal of Material Science, v. 18, p. 785, 1983.

16. Ohtake, N. E.; Yoshikawa, M.: Journal of Electrochemical Society, v. 137, no 2, p. 717, 1990.

17. Ravi, K. V.; Koch, C. A.; Hu, H. S.; Joshi, A.: Journal of Materials Research, v. 5, 2356, 1990.