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INSTITUTO SUPERIOR TUPY
MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA
VERIFICAÇÃO DA SENSIBILIDADE DOS SINAIS DE
VIBRAÇÃO, EMISSÃO ACÚSTICA E CORRENTE NO
ACOMPANHAMENTO DA EVOLUÇÃO DO DESGASTE
DE BROCAS
JOSÉ AUGUSTO ZERMIANI DOS SANTOS
JOINVILLE
2008
ii
JOSÉ AUGUSTO ZERMIANI DOS SANTOS
VERIFICAÇÃO DA SENSIBILIDADE DOS SINAIS DE
VIBRAÇÃO, EMISSÃO ACÚSTICA E CORRENTE NO
ACOMPANHAMENTO DA EVOLUÇÃO DO DESGASTE
DE BROCAS
Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de
Mestrado em Engenharia Mecânica do Instituto
Superior Tupy como requisito para obtenção do
título de Mestre em Engenharia Mecânica sob a
orientação do Professor Ulisses Borges Souto.
JOINVILLE
2008
iii
VERIFICAÇÃO DA SENSIBILIDADE DOS SINAIS DE
VIBRAÇÃO, EMISSÃO ACÚSTICA E CORRENTE NO
ACOMPANHAMENTO DA EVOLUÇÃO DO DESGASTE
DE BROCAS
JOSÉ AUGUSTO ZERMIANI DOS SANTOS
Dissertação de Mestrado defendida e aprovada em 24 de novembro de 2008, pela
Banca examinadora constituída pelos Professores:
iv
AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi realizado com a ajuda de diversas pessoas que prestaram sua
colaboração e apoio às quais presto minha homenagem:
Ao Prof. Ulisses Borges Souto, pela orientação e colaboração.
À Empresa Tupy SA, por fornecer os materiais e equipamentos utilizados na
pesquisa.
Aos colaboradores da Tupy SA, que participaram diretamente do
desenvolvimento deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Clodeinir Ronei Perez, pela colaboração prestada durante a
pesquisa.
À minha família, pela compreensão e apoio.
v
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ........................................................................................vii
LISTA DE TABELAS ................................................................................................... xi
LISTA DE ABREVIATURAS ....................................................................................xii
RESUMO ...................................................................................................................... xvi
ABSTRACT.................................................................................................................xvii
1 INTRODUÇÃO......................................................................................................... 1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 3
2.1 FERRO FUNDIDO VERMICULAR ............................................................... 3
2.2 PROCESSO DE FURAÇÃO............................................................................ 6
2.2.1 Tipos de brocas ................................................................................................. 7
2.2.2 Geometria da ferramenta ................................................................................ 11
2.2.3 Materiais para ferramentas de furação............................................................ 12
2.2.3.1 Aço rápido........................................................................................................ 13
2.2.3.2 Metal duro........................................................................................................ 14
2.2.4 Revestimentos para ferramentas ..................................................................... 16
2.2.5 Parâmetros e grandezas de corte ..................................................................... 17
2.2.6 Forças de corte na furação .............................................................................. 18
2.2.7 Tipos de desgastes em ferramentas................................................................. 19
2.2.8 Mecanismos de desgastes das ferramentas de corte ....................................... 21
2.2.9 Vida da ferramenta e critérios de final de vida ............................................... 23
2.2.10 Mecanismo de formação do cavaco................................................................ 24
2.2.11 Fluidos de corte............................................................................................... 25
2.3 MONITORAMENTO DO DESGASTE DE FERRAMENTA...................... 26
2.3.1 Monitoramento através da vibração................................................................ 28
2.3.2 Monitoramento através da emissão acústica................................................... 34
2.3.3 Monitoramento através dos parâmetros elétricos do motor............................ 38
2.3.4 Sistemas de monitoramento ............................................................................ 40
2.3.5 Técnicas de análise de sinais .......................................................................... 42
2.3.5.1 Análise no domínio do tempo.......................................................................... 43
2.3.5.2 Análise no domínio da frequência ................................................................... 47
2.3.6 Considerações sobre os tipos de sensores....................................................... 49
vi
2.3.6.1 Sensor de vibração ........................................................................................... 49
2.3.6.2 Sensor de emissão acústica .............................................................................. 50
2.3.6.3 Sensor de corrente............................................................................................ 51
3 MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E METODOLOGIA .................................... 52
3.1 MATERIAL UTILIZADO ............................................................................. 52
3.2 FERRAMENTAS UTILIZADAS .................................................................. 54
3.3 MÁQUINA-FERRAMENTA......................................................................... 55
3.4 PARÂMETROS DE PROCESSO.................................................................. 55
3.5 FIXAÇÃO DAS PEÇAS ................................................................................ 56
3.6 AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DOS FUROS .......................................... 56
3.7 CRITÉRIO DE FIM DE VIDA UTILIZADO................................................ 57
3.8 SENSORES UTILIZADOS............................................................................ 58
3.9 AQUISIÇÃO DOS SINAIS............................................................................ 61
3.10 METODOLOGIA........................................................................................... 63
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ........................................................................... 67
4.1 RESULTADOS DE DESGASTE DAS FERRAMENTAS ........................... 67
4.2 RESULTADOS OBTIDOS COM SINAL DE VIBRAÇÃO......................... 70
4.3 RESULTADOS OBTIDOS COM SINAL DE EMISSÃO ACÚSTICA ....... 82
4.4 RESULTADOS OBTIDOS COM SINAL DE CORRENTE......................... 87
CONCLUSÕES ............................................................................................................. 93
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................... 95
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................ 96
vii
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Micrografia do ferro fundido vermicular. (a) Micrografia óptica atacada com
nital. (b) Forma espacial da grafita compactada. MEV 395x. (ASM, 1996).................... 4
Figura 2 - Comparação entre usinabilidade de ferro fundido cinzento e vermicular
(REUTER et al., 2000 apud MOCELLIN, 2002). ............................................................ 5
Figura 3 – Tipos de broca para furação (STEMMER, 1995). .......................................... 8
Figura 4: Nomenclatura de uma broca helicoidal (STEMMER, 1995). ........................... 9
Figura 5: Terminologia de uma broca canal reto (ANDRADE, 2005)............................. 9
Figura 6: Características de uma broca helicoidal. (STEMMER, 1995). ....................... 10
Figura 7: Principais ângulos em brocas helicoidais (STEMMER, 1995)....................... 11
Figura 8: Geometria de uma broca de canal reto (SCHROETER, 2003 apud CASTILLO,
2005). .............................................................................................................................. 12
Figura 9: Grandezas de corte no processo de furação (MOCELLIN, 2002). ................. 18
Figura 10: Forças presentes na furação (BORK, 1995).................................................. 19
Figura 11: Tipos de desgaste: a) Flanco, b) Guias, c) Cratera e d) Lascamento (BORK,
1995). .............................................................................................................................. 20
Figura 12 - Causas de desgaste na usinagem (KÖNIG e KLOCKE, 1997 apud
CASTILLO, 2005).......................................................................................................... 21
Figura 13: Exemplo de um sinal de vibração harmônico puro (BROCH, 1984)............ 28
Figura 14: Movimento periódico não harmônico (BROCH, 1984)................................ 30
Figura 15 – Espectro de frequência na direção axial para diferentes condições de
desgaste (EL-WARDANY, GAO e ELBESTAWI, 1996). ............................................ 31
Figura 16 – Espectro de frequência na direção radial para diferentes condições de
desgaste (EL-WARDANY, GAO e ELBESTAWI, 1996). ............................................ 32
Figura 17 – Sinais de vibração no domínio do tempo na direção radial (EL-WARDANY,
GAO e ELBESTAWI, 1996). ......................................................................................... 33
Figura 18 - Caracterização de um sinal de emissão acústica (LI, 2002). ....................... 34
Figura 19 – Comparação da faixa de frequência da onde da EA com as demais ondas.
(BLUM e DORNFELD, 1990). ...................................................................................... 35
Figura 20 – Sinal de EA para brocas com 2 milímetros de diâmetro: a) Broca 1;
b) Broca 2; c) Broca 3 e d) Broca 4 (KONIG, KUTZNER e SCHEHL, 1992).............. 36
viii
Figura 21 – Detecção de quebra de ferramenta com o sinal de EA (KONIG, KUTZNER
e SCHEHL, 1992)........................................................................................................... 37
Figura 22 - Efeito do VBBmax nos sinais de corrente (LI e TSO, 1999)......................... 39
Figura 23 - Efeito do diâmetro nos sinais de corrente (LI e TSO, 1999). ...................... 40
Figura 24 – Sinal A/D: a) Sinal de tempo contínuo; b) Sinal de tempo discreto
(SILVEIRA E SANTOS, 2007)...................................................................................... 41
Figura 25 - Representação de um sistema de monitoramento (DOLINSEK E KOPAC,
1999). .............................................................................................................................. 42
Figura 26 - Valor RMS de um sinal. (MEOLA, 2005)................................................... 43
Figura 27 - Representação esquemática do Número de Picos (BEATTIE, 1983 apud
CALDEIRANI FILHO, 1998). ....................................................................................... 44
Figura 28 – a) Sinal homogêneo; b) Sinal com picos destacados................................... 45
Figura 29 - Influência da variação dos valores de pico e RMS no fator de crista
(MEOLA, 2005).............................................................................................................. 45
Figura 30 - Valores da curtose para alguns sinais (MACÁRIO, 2006).......................... 46
Figura 31 – Variação da curtose: a) Sinal com 2 picos; b) Sinal com 20 picos (EL-
WARDANY, GAO e ELBESTAWI, 1996). .................................................................. 46
Figura 32 - Assimetria da distribuição (MACÁRIO, 2006). .......................................... 47
Figura 33 – Sinal no domínio do tempo da equação 19.................................................. 48
Figura 34 - Espectro de frequência da equação 19. ........................................................ 48
Figura 35 - Esquema de acelerômetro piezo resistivo (KRELLING, 2006). ................. 50
Figura 36 - Esquema de um sensor EA (CISNEROS, 2006).......................................... 51
Figura 37: Micrografias do ferro fundido vermicular: a) Sem ataque; b) Com ataque de
nital 2%. Aumento de 100x. ........................................................................................... 53
Figura 38 – Face do carter com furações. ....................................................................... 53
Figura 39 – Características do furo monitorado. ............................................................ 54
Figura 40 – Representação das brocas utilizadas nos ensaios. ....................................... 54
Figura 41 – Montagem da broca escalonada fixada no mandril térmico ISO-40. .......... 55
Figura 42 – a) Dispositivo de fixação; b) Peça fixada no dispositivo. ........................... 56
Figura 43 – Medição de desgaste de flanco em uma broca (SCHROETER et al,
1999)....... ........................................................................................................................ 57
Figura 44 – a) Sensor de vibração; b) Sensor de emissão acústica; c) Sensor de
corrente.... ....................................................................................................................... 59
ix
Figura 45 –Fixação dos sensores de vibração e emissão acústica. ................................. 59
Figura 46 - Fixação dos sensores: a) Sensor de vibração; b) Sensor de emissão
acústica. .......................................................................................................................... 60
Figura 47 – Sensor de corrente instalado........................................................................ 60
Figura 48 - Representação esquemática da montagem do sistema. ................................ 62
Figura 49 - Representação esquemática da metodologia de aquisição dos sinais. ......... 63
Figura 50 - Construção de um diagrama boxplot (BARBETTA, REIS e BORNIA,
2004)... ............................................................................................................................ 64
Figura 51 – Metodologia dos ensaios realizados. ........................................................... 66
Figura 52 – Inspeção broca 1: a) Guia da ferramenta; b) Arestas de corte..................... 67
Figura 53 – Broca 4: a) Vista de topo; b) Medição do desgaste de flanco máximo. ...... 68
Figura 54 – Sinal de vibração no intervalo de 1,26 segundos da broca 1: a) Ferramenta
no estado 1; b) Ferramenta no estado 3. ......................................................................... 70
Figura 55 – Sinal de vibração no intervalo de 0,1 segundos da broca 1: a) Ferramenta no
estado 1; b) Ferramenta no estado 3. .............................................................................. 71
Figura 56 – Parâmetro RMS para o sinal de vibração. ................................................... 72
Figura 57 – Parâmetro curtose para o sinal de vibração. ................................................ 73
Figura 58 – Parâmetro assimetria para o sinal de vibração. ........................................... 74
Figura 59 – Parâmetro fator de crista para o sinal de vibração....................................... 74
Figura 60 – Espectro de frequências de 0 a 25 kHz: ...................................................... 76
Figura 61 – Espectro de frequências na banda de 4,5 a 9,0kHz: .................................... 77
Figura 62 – Parâmetro RMS para o sinal de vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz.......... 78
Figura 63 – Parâmetro curtose para o sinal de vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz. ..... 79
Figura 64 – Parâmetro assimetria para o sinal de vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz.. 80
Figura 65 – Parâmetro fator de crista para o sinal de vibração na banda de 6,0 a 6,5
kHz.................................................................................................................................. 80
Figura 66 – Sinal de EARMS no domínio do tempo da broca 1: a) Ferramenta no estado 1;
b) Ferramenta no estado 3............................................................................................... 82
Figura 67 – Parâmetro RMS para o sinal de EARMS. ...................................................... 83
Figura 68 – Parâmetro curtose para o sinal EARMS......................................................... 84
Figura 69 – Parâmetro assimetria para o sinal EARMS. ................................................... 85
Figura 70 – Parâmetro fator de crista para o sinal EARMS. ............................................. 85
x
Figura 71 – Sinal de corrente no domínio do tempo da broca 1 a) Ferramenta no estado
1; b) Ferramenta no estado 3........................................................................................... 87
Figura 72 – Parâmetro RMS para o sinal de corrente..................................................... 88
Figura 73 – Parâmetro curtose para o sinal de corrente.................................................. 88
Figura 74 – Parâmetro assimetria para o sinal de corrente. ............................................ 89
Figura 75 – Parâmetro fator de crista para o sinal de corrente. ...................................... 90
Figura 76 – Espectro de frequências de 0 a 2,5 kHz: ..................................................... 91
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Propriedades mecânicas médias do ferro fundido vermicular comparado ao
cinzento e ao nodular (SINTERCAST, 2001). ................................................................. 5
Tabela 2 – Composição química do ferro fundido vermicular (ASM, 1996)................. 52
Tabela 3 – Condição inicial de batimento das ferramentas. ........................................... 67
Tabela 4 – Condição de desgaste das ferramentas utilizadas. ........................................ 68
Tabela 5 – Dureza do lote das peças usinadas. ............................................................... 69
Tabela 6 – Números de peças usinadas .......................................................................... 69
Tabela 7 – Controle dimensional dos furos monitorados. .............................................. 70
Tabela 8 – Resultados com sinais de vibração no domínio do tempo. ........................... 81
Tabela 9 – Resultados com sinais de vibração no domínio da freqüência 6,0 a 6,5
kHz.................................................................................................................................. 82
Tabela 10 – Resultados com sinais de emissão acústica no domínio do tempo. ............ 86
Tabela 11 – Resultados com sinais de corrente no domínio do tempo........................... 92
xii
LISTA DE ABREVIATURAS
)(ta Função da aceleração da partícula;
�T [s] Intervalo de tempo;
A [m2] Área das placas de um capacitor;
A pico Aceleração máxima da partícula;
A/D Conversor analógico/ digital;
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas;
Al2O3 Óxido de alumínio;
ap [mm] Profundidade de corte;
b Bite;
b [mm] Largura de corte;
C Carbono;
C [F] Capacitância;
CGI Compacted Graphite Iron;
Co Cobalto;
Cr Cromo;
Cu Cobre;
Cueq Cobre equivalente;
CUH Centro de usinagem horizontal;
CVD Chemical Vapour Deposition;
d [mm] Diâmetro da broca;
dB Decibel;
dq Desvio interqualitico;
e [F/m] Constante do material entre as placas;
EA Emissão acústica;
EARMS Emissão acústica Root Mean Square;
f [mm/volta] Avanço;
F [Hz] Frequência;
FC Fator de crista;
Fc [N] Força de corte;
Fe Ferro;
Fe3C Cementita;
xiii
Ff [N] Força de avanço;
FFT Fast Fourier Transfom;
Fp [N] Força passiva;
G Giga (109);
g [m/s2] Gravidade;
h [mm] Espessura de corte;
H [mm] Desgaste das guias;
HB Brinell;
HSS High Speed Steel;
Hz Hertz;
i [A] Corrente elétrica;
k Kilo (103);
K Curtosis;
Kb [mm] Desgaste de cratera;
Ks [N/mm2] Pressão específica de corte;
L Limite do intervalo de dados;
L [mm] Comprimento usinado;
m mili (10-3);
M Mega (106);
M2 Momento de segunda ordem da distribuição;
M3 Momento de terceira ordem da distribuição;
M4 Momento de quarta ordem da distribuição;
md Mediana;
Mg Magnésio;
Mn Manganês;
Mo Molibdênio;
n [rpm] Rotações por minuto;
N Número de amostras;
NbC Carboneto nióbio;
P Fósforo;
Pa Pascal;
PCBN Polycrystalline Cubic Boron Nitride;
Pel [W] Potência elétrica;
xiv
Pm [mm] Largura da lasca da aresta da broca;
Pmec [W] Potência mecânica;
Pt [mm] Profundidade da lasca da aresta da broca;
PVD Physical Vapour Deposition;
qi Primeiro quartil ou quartil inferior;
qs Terceiro quartil ou quartil superior;
RMS Root Mean Square;
S Assimetria;
S Enxofre;
Si Silício;
Sn Estanho;
t [s] Tempo;
T [s] Período;
TaC Carboneto de tântalo;
TCM Tool Condition Monitoring;
TiAlN Nitreto de Titâneo Alumínio;
TiC Carboneto de titânio;
TiCN Carbonitreto de Titâneo;
TiN Nitreto de Titâneo;
U [V] Tensão;
V Volts;
V Vanádio;
V pico Velocidade máxima da partícula;
VBB [mm] Desgaste de flanco;
VBBmáx [mm] Desgaste de flanco máximo;
vc [m/min] Velocidade de corte;
vf [mm/min] Velocidade de avanço;
VRMS [V] Tensão RMS;
Vs [V] Valor de tensão pré-estabelecido (threshold);
)(tv Função da velocidade da partícula;
W Tungstênio;
WC Carboneto de tungstênio;
X pico Deslocamento máximo da partícula;
xv
x0 [m] Distância entre placas de um capacitor;
)(tx Função do deslocamento da partícula.
Símbolos Gregos
ω [rad/s] Frequência angular;
� [graus] Ângulo de incidência;
� [graus] Ângulo de saída;
� [graus] Ângulo de hélice;
� [graus] Ângulo de quina;
� Rendimento de motor;
� [graus] Ângulo de ponta;
σ Desvio padrão;
2σ Variância em torno da média da distribuição;
� [graus] Ângulo da aresta transversal;
Mícron (10-6).
xvi
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo verificar sensibilidade dos sinais dos
sensores de vibração, emissão acústica e corrente no acompanhamento da evolução
desgaste de brocas. Os ensaios foram realizados numa linha de produção de blocos de
motor de ferro fundido vermicular, em um centro de usinagem horizontal ISO-40. A
velocidade de corte e o avanço foram constantes (vc = 90 m/min e f = 0,25 mm/rev) e
obedecem aos valores utilizados em produção. As ferramentas utilizadas foram brocas
escalonadas de canal reto de metal duro com cobertura de nitreto de titâneo alumínio.
Os sinais dos sensores foram adquiridos em 3 condições de desgaste de flanco máximo
(VBBmax) da ferramenta: estado 1 (VBBmax = 0), estado 2 (VBBmax = 0,2 a 0,3 mm) e
estado 3 (VBBmax = 0,4 a 0,7 mm) e posteriormente analisados no domínio do tempo,
através de 4 parâmetros estatísticos (RMS, curtose, assimetria e fator de crista), sendo
que a sensibilidade destes parâmetros foi verificada utilizando o gráfico boxplot. Os
sinais de vibração e corrente também foram analisados no domínio da frequência, com o
objetivo de encontrar uma faixa de frequência capaz de diferenciar os estados de
desgaste da ferramenta, para posteriormente verificar a sensibilidade dos parâmetros
estatísticos nesta banda. Os resultados mostraram que o sinal de vibração na banda de
frequência de 6,0 a 6,5 kHz apresenta sensibilidade ao desgaste através do parâmetro
RMS e curtose, quando se avalia a mediana e os quartis. O sinal de emissão acústica
mostrou sensibilidade para indicar o final de vida da ferramenta com os parâmetros
RMS e curtose através da mediana e dos quartis. O sinal de corrente não obteve
variação significativa com o aumento do desgaste da ferramenta em nenhum dos
parâmetros analisados devido o pequeno consumo de potência durante a usinagem.
Palavras chaves: furação, sinais, vibração, emissão acústica, corrente.
xvii
ABSTRACT
The present work aims to study the evolution of the wear in drills through sensor
vibration, acoustic emission and current sign sensibilities. The testings were made in a
CGI engine block production line, in a horizontal machining center ISO-40. The cutting
speed and the feed were kept constant (Cs = 90 m/min and f = 0.25 mm/rev) and were
used according to the line cutting parameters. Solid carbide stepped straight flute drills
with aluminum titanium nitride were used. The sensor signs were acquired in three
maximum flank wear conditions of the tool: condition 1 (VBBmax = 0), condition 2
(VBBmax = 0,2 - 0,3 mm), condition 3 (VBBmax = 0,4 - 0,7 mm). They were then
analyzed in the time domain through the four statistical parameters (RMS, kurtose,
skewness and crest factor), and the sensibility of these parameters were analyzed using
the box plot graph. The current and vibration signs were also analized in the frequency
domain with the aim of finding a frequency range which differs the wear conditions of
the tool in order to further on study the sensibility of the statistical parameters of this
range. The results have shown that the vibration sign of the frequency range of 6.0 - 6.5
kHz indicates wear sensibility through RMS and kurtose parameters, when the median
and the quartile are avaliated. The acoustic emission has shown sensibility in order to
indicate the end of tool life with the RMS and kurtose parameters through the median
and the quartile. The current sign has not presented any meaningful variation with the
variation of the tool wear in none of the parameters analyzed due to a low power
consumption while machining.
Key words: drilling, signs, vibration, acoustic emission, current.
1
1 INTRODUÇÃO
Para competir no mercado global do setor metal-mecânico exige-se o
desenvolvimento de equipamentos de alta tecnologia com maior rigidez, potência,
rotação e, em particular, de ferramentas adequadas a estas máquinas. Para a indústria de
produção seriada, além do investimento inicial em ferramentas ser substancial, o custo
de máquina parada para manutenção ou substituição de ferramentas desgastadas é um
fator crucial na produtividade e na lucratividade da empresa.
A furação é uma das operações de maior tempo efetivo de corte na usinagem de
um bloco de motor, possuindo grande influência sobre os custos de ferramentas. Estes
custos têm o seu valor elevado na usinagem de blocos de motor em ferro fundido
vermicular, devido à sua menor usinabilidade quando comparado ao ferro fundido
cinzento (ANDRADE, 2005).
Como técnica de medição de desgaste na ferramenta tem-se o método de
medição direta (off-line) e medição indireta (on-line). Na medição direta, o processo tem
que ser interrompido para quantificar diretamente o valor do desgaste na ferramenta
utilizando um equipamento apropriado. O método de medição indireta acompanha o
processo em tempo real através de uma grandeza física que pode ser correlacionada, por
exemplo, com o desgaste da ferramenta (JANTUNEN, 2002).
Um sistema de monitoramento do estado da ferramenta é basicamente um
conjunto de elementos que adquirem informações de uma fonte específica (sensores),
filtram os sinais e posteriormente armazenam na memória do computador. Em seguida,
os sinais são processados e decisões podem ser tomadas pelo sistema. Existem vários
campos de pesquisa para o monitoramento do desgaste de ferramenta em tempo real,
como sinais de vibração, emissão acústica, corrente elétrica do motor, temperatura de
corte e som.
As técnicas e as ferramentas de monitoramento atuais não estão totalmente
desenvolvidas para a aplicação em ambientes industriais, além de não apresentarem
suficiente confiabilidade nas respostas fornecidas, devido à variação das condições
operacionais e aos vários fatores que afetam o desgaste da ferramenta de corte. Os sinais
utilizados podem conter informações que induzam a uma identificação incorreta do
desgaste. Isso mostra a necessidade de que novas pesquisas sejam realizadas nesta área,
permitindo uma melhoria e um avanço no desenvolvimento destes sistemas.
2
Na operação de furação, a vida útil das ferramentas apresenta uma grande
dispersão, o que torna necessário a utilização de valores mais baixos como critério de
final de vida para prevenir quebras. Com isto muitas ferramentas não são totalmente
aproveitadas, aumentando o custo de produção e o tempo de máquina parada (SOUTO,
2007). Com a implantação de um sistema de monitoramento, o critério de vida útil
passa a ser um índice gerado por esse sistema, que está baseado nos sinais de entrada
dos sensores e dados internos da máquina.
A ferramenta utilizada neste estudo foi uma broca escalonada de metal duro de
diâmetro 6,8 mm, com vida útil estipulada em duzentas peças. Testes preliminares de
usinabilidade mostraram que em alguns casos este valor pode chegar a 225 peças,
(adotando como critério de parada VBBmax = 0,7 mm), aumentando a vida útil da
ferramenta em 12,5 %. Porém torna-se necessário um monitoramento da mesma para
evitar quebras.
Diante deste fato, o presente trabalho tem como objetivo verificar sensibilidade
dos sinais de vibração, emissão acústica e corrente com a evolução do desgaste de
brocas, analisando os sinais extraídos dos respectivos sensores no domínio do tempo e
da frequência através de parâmetros estatísticos, indicando se os mesmos possuem
sensibilidade para acompanhar o desgaste da ferramenta.
3
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 FERRO FUNDIDO VERMICULAR
A usinabilidade de um material refere-se à facilidade com a qual este pode ser
usinado e medida em termos de vida útil da ferramenta, velocidade de remoção de
cavaco, acabamento superficial, facilidade de formação de cavaco e força de corte. Não
é uma propriedade intrínseca do material, mas resulta de uma complexa interação entre
as propriedades mecânicas do material da peça, da ferramenta de corte e das condições
de usinagem (KENNAMETAL, 2003 apud FERRER, 2006). Em termos gerais, pode
ser dito que quanto maior a dureza e a resistência de um tipo de ferro fundido pior é sua
usinabilidade (DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2006).
Desenvolvimentos recentes dos motores a diesel permitiram obter melhores
desempenhos associados a menores emissões de poluentes e a operações mais
silenciosas. Esses aperfeiçoamentos baseiam-se em maiores temperaturas de trabalho,
que sujeitam os blocos de motores a solicitações que poderiam levar à ocorrência de
falhas prematuras. Para evitar isso, a escolha natural foi pelos ferros fundidos
vermiculares (GUESSER, 2002).
O ferro fundido cinzento caracteriza-se por apresentar como elementos de liga
fundamentais o carbono e o silício, sendo que uma parcela relativamente grande do
carbono está no estado livre (grafita lamelar) e outra parcela no estado combinado
(Cementita -Fe3C). Já o ferro fundido nodular, possui carbono livre na forma de grafita
esferoidal, o que confere ao material boa ductilidade. O ferro fundido de grafita
compactada (Compacted Graphite Iron – CGI), ou vermicular, pode ser considerado um
material intermediário entre o ferro fundido cinzento e o ferro fundido nodular; possui a
fundibilidade do ferro fundido cinzento, com melhor resistência mecânica e ductilidade
(CHIAVERINI, 2005).
O típico CGI, do ponto de vista químico, não apresenta diferença significativa
dos ferros fundido cinzento e nodular. Cada um contém cerca de 94 % de ferro (Fe), 3
% de carbono (C), 2,5 % de silício (Si) e o restante é dividido entre elementos de liga e
residuais As diferenças entre essas ligas são creditadas aos tipos de morfologias das
suas grafitas, que conferem propriedades físicas e mecânicas distintas a cada uma delas
4
(DAWSON E WURTEMBERG, 1993). A micrografia do ferro fundido vermicular
pode ser visualizada na Figura 1.
a) b)
Figura 1: Micrografia do ferro fundido vermicular. (a) Micrografia óptica atacada com
nital. (b) Forma espacial da grafita compactada. MEV 395x. (ASM, 1996).
Tendo em vista as vantagens a serem obtidas com a utilização do ferro fundido
vermicular em blocos de motores, em 1996 começaram as primeiras tentativas de
introduzir este material em linhas transfer de usinagem de ferros fundidos cinzentos.
Porém, as altas velocidades de corte usuais não puderam ser utilizadas, principalmente
em algumas operações críticas de usinagem, tais como o mandrilamento de cilindros,
devido ao acentuado desgaste dos insertos de PCBN (Polycrystalline Cubic Boron
Nitride – Nitreto de Boro Cúbico Policristalino), quando aplicados ao vermicular
(MOCELLIN, 2002). Os resultados da usinabilidade das peças de vermicular em linhas
transfer são apresentados na Figura 2.
5
0
20
40
60
80
100
120
Fresamento Furação Mandrilhamento
cilindros
(desbaste)
Mandrilhamento
cilindros
(acabamento)
Vid
a d
a f
err
am
enta
(%
)
Cinzento
Vermicular
Figura 2 - Comparação entre usinabilidade de ferro fundido cinzento e vermicular
(REUTER et al., 2000 apud MOCELLIN, 2002).
As operações de fresamento e furação, com ferramentas de metal-duro,
mostraram uma redução de aproximadamente 50 % na vida útil das ferramentas. Nas
operações de mandrilamento dos cilindros, realizadas a altas velocidades com
ferramentas de PCBN, observou-se uma redução para até 5 % do total de um cinzento.
A Tabela 1 apresenta as propriedades médias do ferro fundido vermicular
comparado ao cinzento e ao nodular.
Tabela 1: Propriedades mecânicas médias do ferro fundido vermicular comparado ao
cinzento e ao nodular (SINTERCAST, 2001).
Propriedade Cinzento Vermicular Nodular
Resistência à Tração [MPa] 235 500 650
Módulo elasticidade [GPa] 110 140 165
Resistência à fadiga [MPa] 100 205 265
Condutividade térmica
[W/(mK)] 48 35 28
Dureza [HB] 200 225 270
Tensão 0,2% alongamento 160 380 425
6
Com fabricação do CGI em escala e com qualidade, o ferro vermicular passou a
receber um crescente espaço na indústria automobilística, abrindo-se as possibilidades
de seu emprego em diversas peças, atualmente fabricadas em cinzento, tais como discos
de freio, coletores de escapamento, cabeçotes e, principalmente, blocos de motores
diesel (GUESSER E GUEDES, 1997).
2.2 PROCESSO DE FURAÇÃO
A furação é um processo de usinagem destinado à obtenção de furos cilíndricos
ou cônicos utilizando ferramenta com geometria definida. As operações de furação são
realizadas sempre sob condições relativamente severas (STEMMER, 1995):
• A velocidade de corte não é uniforme, pois varia desde zero no centro do
furo até um máximo na periferia;
• O fluido de corte que deve atuar como refrigerante e lubrificante, bem como
meio de transporte dos cavacos, chega com dificuldades na aresta da ferramenta, onde é
mais necessário.
Segundo Viana (2004), as variantes do processo de furação são as seguintes:
a) Furação em cheio: processo de furação destinado à abertura de um furo
cilíndrico numa peça, removendo todo o material compreendido no volume do furo final,
na forma de cavaco.
b) Escareamento: realizado para chanfrar uma peça pré-furada.
c) Furação escalonada: destinada à obtenção de um furo com dois ou mais
diâmetros distintos.
d) Furação de centro: realizada para obtenção de furos de centro, visando fixar
uma peça entre pontas em uma operação posterior.
e) Trepanação: processo de furação em que apenas uma parte do material
compreendido no volume do furo final é reduzida a cavaco, permanecendo um núcleo
maciço após a operação.
7
2.2.1 Tipos de brocas
Segundo Stemmer (1995), de acordo com as características do processo de
furação, pode-se utilizar diferentes tipos de brocas como descrito a seguir:
a) Brocas chatas: são obtidas por achatamento a quente de uma barra cilíndrica.
Utilizadas em operações pouco profundas em materiais frágeis. Suportam pequenos
momentos torçores (Figura -3a).
b) Brocas helicoidais: são as ferramentas de maior aplicação na furação, sendo
as principais na obtenção de furos cilíndricos. Possuem geralmente duas arestas
principais, ligadas pela aresta transversal (Figura - 3b).
c) Brocas helicoidais com pastilhas de metal duro: são utilizadas na execução de
furos em materiais abrasivos, em aços de usinagem difícil e em casos em que a vida das
brocas de aço-rápido é muito pequena (Figura - 3c).
d) Brocas escalonadas: são ferramentas que possuem dois ou mais diâmetros
diferentes dispostos de forma escalonada e retificados conforme a padronização das
brocas helicoidais. Indicadas para a execução de furos com dois ou mais diâmetros
diferentes, ou para combinar operações de furação, alargamento ou chanframento
(Figura - 3d).
e) Brocas de centro: são utilizadas para execução de pré-furos conhecidos como
furos de centro em peças que devem ser usinadas entre pontas e em furação profunda
(Figura - 3e).
f) Brocas canhão: são ferramentas que possuem um corpo de aço tenaz, com
uma canaleta em V, com ponta ou pastilha de metal duro. São utilizadas para a furação
profunda (10 a 100 vezes o diâmetros) (Figura - 3f).
g) Brocas de canais retos: assemelham-se a brocas helicoidais destorcidas.
Possuem canais internos para refrigeração e podem ser utilizadas em maiores
8
profundidades que as brocas helicoidais, além de permitir altas velocidades de corte
(MOCELLIN, 2002).
h) Brocas com canais de refrigeração: são utilizadas na furação profunda, onde a
remoção do calor e do cavaco é crítica. Para aplicação deste tipo de ferramenta é
necessário um dispositivo de especial de adução do fluido através da broca.
Figura 3 – Tipos de broca para furação (STEMMER, 1995).
a) Broca chata b) Broca helicoidal
c) Broca helicoidal com pastilha de metal-duro d) Broca escalonada
e) Broca de centro f) Broca com pastilha reversíveis
9
A nomenclatura das partes constituintes da broca helicoidal é definida pela
norma ABNT NBR 6176 (DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2006). As Figuras 4 e 5
apresentam a nomenclatura da broca helicoidal e da broca de canal reto,
respectivamente.
Figura 4: Nomenclatura de uma broca helicoidal (STEMMER, 1995).
Figura 5: Terminologia de uma broca canal reto (ANDRADE, 2005).
Seguem outras características da broca helicoidal e de canal reto.
a) Canais helicoidais e canais retos: são os canais pelos quais haverá a remoção
do cavaco e entrada de fluido de corte (no caso da broca não apresentar furos de
refrigeração interna) (STEMMER, 1995).
b) Aresta principal: é a parcela da aresta que está localizada na parte da
ferramenta voltada para o sentido de corte.
Comprimento da ponta
Comprimento de corte Comprimento da haste
Comprimento total
Haste cilíndrica
Diâmetro Broca
10
c) Aresta transversal: liga as duas arestas principais de corte e está situada na
ponta da broca (STEMMER, 1995). A ação de corte da aresta transversal não é eficiente,
pois possui velocidade de corte baixa, por estar muito próximo do centro da broca.
d) Guias: têm como funções direcionar a furação e reduzir o atrito da ferramenta
com a parede do furo, conseqüentemente diminuindo os esforços de furação (DINIZ,
MARCONDES e COPPINI, 2006).
e) Haste: responsável pela fixação da broca, apresentando-se sob as formas
cônica e cilíndrica (FERRARESI, 1970).
f) Núcleo: confere rigidez à broca e possui espessura de aproximadamente 0,16D,
onde D é o diâmetro da broca. (FERRARESI, 1970).
A Figura 6 apresenta as características da broca helicoidal.
Figura 6: Características de uma broca helicoidal. (STEMMER, 1995).
Aresta Transversal
Aresta Principal
Aresta Principal
11
2.2.2 Geometria da ferramenta
A geometria da ferramenta de corte representa uma variável importante na
fenomenologia da usinagem, uma vez que pequenas alterações dimensionais e angulares
causam respostas distintas do comportamento do material da peça sobre a aresta de
corte da ferramenta (TEXEIRA, 1995).
Os ângulos da broca helicoidal são definidos por Stemmer (1995) da seguinte
forma:
• Ângulo de ponta (�): é o ângulo formado pelas duas arestas principais, no plano
que contêm o eixo principal da broca.
• Ângulo de incidência (�): é gerado pelo rebaixamento do flanco principal.
• Ângulo de hélice (�): é o ângulo da helicóide dos canais da broca.
• Ângulo do arestas transversal (�): é o menor ângulo formado entre as arestas
principais e a aresta transversal.
A Figura 7 apresenta os principais ângulos da brocas helicoidais.
Figura 7: Principais ângulos em brocas helicoidais (STEMMER, 1995).
Para a broca de canal reto existe uma geometria característica, com algumas
variações em relação à broca helicoidal, que podem ser observadas na Figura 8.
12
Figura 8: Geometria de uma broca de canal reto
(SCHROETER, 2003 apud CASTILLO, 2005).
2.2.3 Materiais para ferramentas de furação
Os materiais para ferramentas devem atender características como resistência
mecânica, alta dureza, resistência à abrasão, estabilidade química e tenacidade
(STEMMER, 1995). As brocas trabalham sob condições severas de temperatura e atrito
e, por isso, precisam ser fabricadas com materiais altamente resistentes a estas
condições. Em cada trabalho específico deve-se verificar quais as exigências de
processo para depois escolher o material mais indicado. Atualmente, as brocas são
produzidas principalmente a partir de dois materiais: o aço rápido e o metal-duro.
• Ângulo da aresta transversal (�);
• Ângulo de quina (�);
• Ângulo de ponta (�);
• Ângulo de saída (�);
• Ângulo de incidência (�);
• Ângulo de cunha ();
13
2.2.3.1 Aço rápido
As aplicações dos aços rápidos (High Speed Steel - HSS) são principalmente em
brocas, fresas, cocinetes, brochas e matrizes, cuja velocidade de corte conseguida é
inferior à velocidade econômica de corte dos materiais de ferramentas mais resistentes
(MACHADO e DA SILVA, 2004).
Os principais elementos de liga do aço rápido são (CHIAVERINI, 2005):
a) Carbono (C): teores variando de 0,7 e 1,6 %. Teores mais baixos
representam menores durezas no estado revenido. O aumento do teor de C aumenta a
formação de carbonetos complexos o que representam maior dureza e resistência ao
desgaste.
b) Tungstênio (W): formador de carboneto, responsável pela elevada
resistência ao desgaste do aço-rápido, está presente em teores que podem chegar a 20 %.
c) Molibdênio (Mo): este elemento é um substituto parcial do tungstênio,
formando também o carboneto duplo com o ferro (Fe). Nos aços ao Mo a austenita
residual é menos estável que nos aços ao W, resultando em temperaturas de
revenimento inferiores. Do mesmo modo, as durezas a quente são também inferiores.
d) Vanádio (V): aparece em teores que variam de 1 a 5 %. É desoxidante, mas
forte formador de carboneto.
e) Cromo (Cr): juntamente com o carbono, são responsáveis pela elevada
temperabilidade dos aços rápidos. Aparece em teores em torno de 4 %.
f) Cobalto (Co): aumenta significativamente a dureza a quente, aumentando a
eficiência das ferramentas em operações de altas temperaturas, como é o caso de corte a
altas velocidades.
14
Este material é tenaz, apresenta elevada resistência ao desgaste e elevada dureza
a quente, podendo ser utilizado em temperaturas de corte da ordem de 600 °C. A
tenacidade depende dos elementos de liga e do grau de dissolubilidade dos mesmos. De
maneira geral, os aços rápidos resistentes à abrasão são poucos tenazes e vice-versa
(DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2006).
2.2.3.2 Metal duro
A aplicação do metal duro, fabricado pelo processo de metalurgia do pó, se deve
ao fato de possuir a combinação de resistência ao desgaste, resistência mecânica e
tenacidade em altos níveis (MACHADO e DA SILVA, 2004).
Segundo Stemmer (1995), são utilizados como componentes nos metais duros os
seguintes elementos:
a) Carboneto de tungstênio (WC): O carboneto de tungstênio é solúvel no
cobalto (Co), que resulta na alta resistência das ligações internas e das arestas dos
metais duros de puro WC-Co. O WC tem alta resistência à abrasão, porém tem
tendência de difusão do carbono na usinagem de aços.
b) Carboneto de titânio (TiC): Os carbonetos de titânio têm pouca tendência à
difusão, o que resulta na alta resistência dos metais duros que tem TiC na sua
composição. Porém pode tornar estes metais duros frágeis quando aplicado em alto teor.
São utilizados na usinagem de aços com altas velocidades de corte.
c) Carboneto de tântalo (TaC): Em pequenas quantidades, atua no sentido de
diminuir o tamanho dos grãos, melhorando a tenacidade e a resistência.
d) Carboneto nióbio (NbC): Tem efeito semelhante ao TaC, aumentando a
tenacidade e a resistência.
15
Os vários tipos de metal duro são classificados pela norma ISO em seis grupos
(P, M, K, N, H, S), sendo as três últimas classes relativamente recentes em comparação
às três primeiras. As classes também se subdividem em números: a classe P varia de
P01 até P50; a classe M varia de M01 até M40; a classe K varia de K01 até K40.
Quanto maior o número da classificação, maior é a tenacidade e menor a dureza e a
resistência ao desgaste.
A sub-classificação dentro de cada classe depende principalmente da
(MACHADO e DA SILVA, 2004):
• Composição química da ferramenta, incluindo qualidade e quantidade de
carbonetos. A presença de carbonetos de titânio, por exemplo, garante maior resistência
ao desgaste. A maior quantidade de cobalto por outro lado, garante maior tenacidade.
• Tamanho de grãos dos carbonetos. Quanto mais finos os carbonetos, maior a
tenacidade da ferramenta, aliada a uma maior dureza média.
O grupo P possui metais duros de elevado teor de TiC e TaC, que causa elevada
dureza a quente e resistência ao desgaste. Sua aplicação é em materiais de cavacos
contínuos, como o aço, possuem uma grande área de atrito com a superfície da
ferramenta, que geram alta temperatura de corte e tendem a desgastar a ferramenta
(DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2006).
O metal duro do grupo K é composto de carbonetos de tungstênio aglomerado
pelo cobalto, e tem como propriedade a tenacidade. São indicados na usinagem de
materiais frágeis, que formam cavacos curtos como ferros fundidos e latões, que
possuem grande atrito com a superfície de saída da ferramenta (DINIZ, MARCONDES
e COPPINI, 2006).
O grupo M tem propriedades intermediárias em relação aos grupos P e K.
Possuem boa resistência mecânica e tenacidade. Pode ser utilizado em aços ligados,
ferros fundidos, entre outros.
Quanto às classes mais recentes, a N é empregada na usinagem de não ferrosos
como ligas de alumínio e de cobre. A classe S é utilizada na usinagem de superligas
resistentes ao calor (à base de ferro ou níquel, cobalto e titânio) e a classe H na
usinagem de aços endurecidos, extra duros e ferros fundidos coquilhados (SOUTO,
2007).
16
2.2.4 Revestimentos para ferramentas
Os principais processos aplicados para revestimento de ferramentas de corte são:
Chemical Vapour Deposition – CVD (Deposição Química à Vapor) e Physical Vapour
Deposition - PVD (Deposição Física à Vapor).
O processo CVD é realizado em temperaturas na ordem de 1000 ºC, o que inibe
sua aplicação no revestimento de materiais susceptíveis a altas temperaturas, como o
aço rápido. Já o processo PVD opera em temperaturas mais baixas, 450 a 500 ºC
(DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2006). A diferença entre ambas está no
mecanismo de geração do vapor (material de revestimento) e na forma em que este
vapor é depositado sobre o substrato (FRANCO JR., 2003).
O melhor desempenho das ferramentas de corte pode ser obtido pela deposição
de camadas duras nas superfícies, em busca da diminuição do atrito, menor desgaste e
aumento da vida útil da ferramenta (ANDRADE, 2005).
As três camadas que se destacam no mercado são: Nitreto de Titânio (TiN),
Carbonitreto de Titânio (TiCN), Nitreto de Titânio Alumínio (TiAlN). Estas camadas
podem retardar significamente os mecanismos de desgastes que atuam quando a
ferramenta de corte entra em contato com o material a ser usinado (YUHARA, 2000).
a) Nitreto de titânio (TiN): foi o primeiro revestimento produzido
comercialmente. É um revestimento mono-camada e tem uma grande utilização por
possuir um bom equilíbrio entre suas propriedades como: dureza, tenacidade, aderência,
estabilidade química e térmica e baixo coeficiente de atrito (YUHARA, 2000).
b) Carbonitreto de titânio (TiCN): as principais vantagens deste revestimento são
elevada dureza quando comparado ao TiN, além de baixo coeficiente de atrito
(YUHARA e VENCOVSKY, 2006). Este revestimento pode ser utilizado na usinagem
de ferro fundido, com alta velocidade de corte. (STEMMER, 1995).
c) Nitreto de titânio alumínio (TiAlN): A principal vantagem do TiAlN é sua
característica de formar um filme protetivo extremamente denso e com alta adesão de
óxido de alumínio (Al2O3) em sua superfície, quando aquecido, aumentando a
resistência a difusão e a oxidação do material do revestimento da peça. Possui baixa
17
condutividade térmica, assim maior é a quantidade de calor dissipado pelo cavaco,
permitindo maiores velocidades de corte (YUHARA e VENCOVSKY, 2006). O campo
principal de aplicação é na usinagem de aço e ferro fundido (STEMMER, 1995).
2.2.5 Parâmetros e grandezas de corte
Os parâmetros de corte definem a maneira com que o processo se realiza e são
fatores importantes na determinação do desempenho da ferramenta (MOCELLIN, 2002;
ANDRADE, 2005). Seguem os principais parâmetros e grandezas de corte.
a) Velocidade de corte (vc): é a velocidade tangencial instantânea da ferramenta,
resultante da rotação da ferramenta em torno da peça e pode ser calculada pela equação
1. A velocidade de corte é sempre referida ao diâmetro da broca. (DINIZ,
MARCONDES e COPPINI, 2006).
1000
dnvc
π= (1)
Onde:
vc = velocidade de corte;
d = diâmetro da broca;
n = rotações por minuto.
b) Velocidade de avanço (vf): a velocidade de avanço é definida como a
velocidade instantânea da ferramenta segundo a direção e sentido do avanço e é
calculada pela equação 2.
vf = f.n (2)
Onde:
vf = velocidade de avanço;
f = avanço por volta;
n = rotações por minuto.
c) Espessura de corte (h): é proporcional ao avanço e é medida
perpendicularmente a aresta, conforme apresenta a Figura 9 (MOCELLIN, 2002).
18
d) Profundidade de corte (ap): equivalente à metade do diâmetro da ferramenta
para furação em cheio (STEMMER, 1995).
e) Largura de corte (b): corresponde a largura da seção transversal de corte
(STEMMER, 1995).
Figura 9: Grandezas de corte no processo de furação (MOCELLIN, 2002).
2.2.6 Forças de corte na furação
O conhecimento do comportamento e da ordem de grandeza dos esforços de
corte nos processos de usinagem é importante, pois eles interferem na potência
consumida pela máquina, na qualidade do produto, no desgastes da ferramenta, entre
outras. As forças de usinagem são consideradas como uma ação da peça sobre a
ferramenta (DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2006).
A força total de corte (F1 e F2) atuante na usinagem é basicamente decomposta
em três componentes, conforme Figura 10.
a) Força de corte (Fc1, Fc2): A componente da força atuante na face da ferramenta,
normal a aresta na direção do movimento de corte, é chamada de força de corte.
b) Força de Avanço (Ff1, Ff2): componente da força na direção do avanço, axial a
ferramenta.
p
19
c) Força Passiva (Fp1, Fp2): componente da força na direção radial da ferramenta.
Considerando a broca simétrica, a força passiva é desprezada.
Figura 10: Forças presentes na furação (BORK, 1995).
2.2.7 Tipos de desgastes em ferramentas
Atualmente, os processos de usinagem têm necessidades no sentido de usinar
materiais com baixa usinabilidade. Sendo assim, as condições de corte conduzem a uma
provável diminuição na vida da ferramenta e podem causar uma quebra prematura da
mesma. O desgaste é a perda progressiva e microscópica de partículas da ferramenta
devido à ação de corte.
Seguem os principais tipos de desgaste conforme literatura.
a) Desgaste de flanco (VBB): Acontece na superfície de folga da ferramenta,
devido ao contato entre a ferramenta e a peça, sendo causado principalmente pelo
mecanismo de desgaste abrasivo. A modificação causada na aresta de corte da
ferramenta pode provocar a deterioração do acabamento superficial da peça. O desgaste
de flanco da broca ocorre ao longo da sua aresta principal. A medida final do desgaste é,
normalmente, considerada como o resultado da média do desgaste VBB em ambas as
arestas. Também pode ser verificado o desgaste de flanco máximo (VBBmáx), conforme
Figura 11 a (STEMMER, 1995). Segundo Trent (1991), quando acontece o desgaste de
flanco, várias tensões atuam na superfície de folga da ferramenta. Embora o desgaste de
flanco às vezes possa ser claramente definido, é muito difícil quantificar os valores de
força que agem na ferramenta em decorrência deste desgaste.
20
b) Desgaste das guias (H): este desgaste acontece devido atrito gerado entre as
guias da ferramenta de corte e o material da peça. O desgaste de guia está presente na
usinagem de materiais abrasivos. O comprimento médio ‘H’ é medido sobre todas as
guias da ferramenta em relação à sua quina (ANDRADE, 2005). A Figura 11 b
exemplifica o desgaste de guias.
c) Desgaste de cratera (Kb): Ocorre na superfície de saída devido ao atrito entre
a ferramenta de corte e o cavaco (DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2006).
Corresponde a dimensão “Kb”, a qual é a medida do ponto mais afastado do lado oposto
da cratera em relação a aresta. É a média dos valores encontrados nas faces da broca em
relação às respectivas arestas. A Figura 11 c apresenta o desgaste de cratera.
d) Lascamento das arestas (largura da lasca (Pm) e profundidade da lasca (Pt)):
O lascamento da ferramenta ocorre com mais frequência em cortes interrompidos, como
no fresamento, em que a aresta de corte pode quebrar devido à fadiga mecânica. Fatores
tais como dureza, tenacidade à fratura, as condições de corte utilizadas e as geometrias
de entrada e saída da ferramenta na peça (no caso do fresamento) são fatores
importantes na prevenção deste fenômeno. Na Figura 11 d, é exemplificado o
dimensionamento de lascamentos nas arestas principais de uma broca.
Figura 11: Tipos de desgaste: a) Flanco, b) Guias, c) Cratera e d) Lascamento
(BORK, 1995).
a)
b)
c)
d)
VBBmáx
VBB
21
2.2.8 Mecanismos de desgastes das ferramentas de corte
Os desgastes e as avarias das ferramentas são fatores de preocupação constante
no processo de usinagem. Uma ferramenta de corte, mesmo possuindo tenacidade
suficiente para resistir às variações cíclicas de carregamento e temperatura, não está
livre de uma perda progressiva de material que comprometerá o processo. Por isso,
existe a necessidade de investigar os mecanismos de desgaste e as avarias para adequar
corretamente os parâmetros de usinagem ao tipo de operação a ser realizada. Isto
proporcionará a diminuição das taxas de desgaste e quebras, e consequentemente o
tempo de parada de máquina na produção.
Desgaste é a perda gradual do material pela ação do cavaco com a ferramenta,
decorrentes de solicitações mecânicas, térmicas e químicas. As principais causas
influentes sobre o desgaste da ferramenta estão relacionadas na Figura 12.
Figura 12 - Causas de desgaste na usinagem
(KÖNIG e KLOCKE, 1997 apud CASTILLO, 2005).
Segundo Ferraresi (1970), Diniz, Marcondes e Coppini (2006) e Stemmer (1995)
os principais mecanismos de desgaste são os seguintes:
22
a) Abrasão: É a retirada de finas partículas de material, em decorrência do
escorregamento sob alta pressão e temperatura entre a peça e a ferramenta. Este tipo de
desgaste ocorre principalmente na usinagem de materiais que contém altas
concentrações de inclusões não-metálicas duras. Inclusões como carbonetos, óxidos e
silicatos, possuem uma forte capacidade de abrasão, mesmo em temperaturas elevadas.
Quanto maior a dureza a quente da ferramenta, maior sua resistência ao desgaste
abrasivo. Trent (1991) comenta que um baixo percentual de cobalto e uma menor
granulometria do metal duro aumenta a resistência à abrasão da ferramenta.
b) Aderência: quando duas superfícies metálicas são postas em contato a baixa
velocidade de corte, baixa temperatura e sob carga moderada, forma-se entre elas um
extrato metálico que provoca aderência. Para a diminuição deste mecanismo, deve-se
utilizar revestimento com baixo coeficiente de atrito na ferramenta, como o nitreto de
titânio, e utilizar fluido de corte com efeito lubrificante.
c) Difusão: o desgaste difusivo é um mecanismo que envolve transferência de
átomos entre os materiais da ferramenta e da peça. Para que este processo ocorra, deve
existir uma elevada temperatura na superfície de saída e também na superfície de folga.
A existência de uma zona de fluxo na interface cavaco ferramenta é o que determina a
existência da difusão (TRENT, 1991).
d) Oxidação: nas periferias da área de contato do cavaco com a superfície de
saída da ferramenta de corte não ocorre aderência. Assim, estas regiões ficam
susceptíveis a reações químicas com a atmosfera. A composição do material da
ferramenta é o fator mais importante neste tipo de desgaste, visto que a taxa de desgaste
em áreas de escorregamento é principalmente controlada por interações químicas. A
oxidação ocorre sob altas temperaturas e na presença de ar e água (contida nos fluidos
de corte). O metal-duro inicia a oxidação em temperaturas entre 700 e 800 °C. A adição
de óxido de alumínio na ferramenta reduz a propagação deste mecanismo de desgaste.
e) Solicitações térmicas e mecânicas: durante a entrada da ferramenta na peça, a
aresta atinge rapidamente elevadas temperaturas e após a saída, ocorre o resfriamento. A
diferença entre a mais alta e a mais baixa temperatura depende do material e das
23
solicitações de corte. A combinação destes fenômenos pode levar à formação de
fissuras, principalmente em ferramentas pouco tenazes (CASTILLO, 2005).
Todos os mecanismos de desgastes citados acima estão presentes na usinagem
do ferro fundido vermicular, como em qualquer outro tipo de material. Conforme
Andrade (2005) cita em sua dissertação, o mecanismo de abrasão é o de maior
influência no desgaste de ferramentas na usinagem de ferro fundido vermicular.
2.2.9 Vida da ferramenta e critérios de final de vida
Ferraresi (1970) define a vida de uma ferramenta como sendo o tempo em que a
mesma efetivamente trabalha, sem perder sua capacidade de corte até que um critério de
vida previamente estabelecido seja atingido. Atingido este tempo a ferramenta deve ser
reafiada ou substituída.
Diniz, Marcondes e Coppini (2006) definem que uma ferramenta de usinagem
deve ser substituída quando um ou mais dos seguintes fatores acontecerem:
• Os desgastes atingirem proporções tão elevadas que se receie a quebra da aresta
de corte;
• Impossibilidade de obtenção de tolerâncias apertadas e/ou bons acabamentos
superficiais da peça devido ao desgaste da superfície de folga da ferramenta;
• Os desgastes fazem com que a temperatura na aresta de corte ultrapasse a
temperatura de trabalho a quente da ferramenta (a aresta de corte se decompõe);
• O aumento da força de usinagem, proveniente dos desgastes da ferramenta,
interfere no funcionamento da máquina.
Outras formas de expressar o final de vida da ferramenta, que normalmente são
de maior praticidade para a indústria, podem ser estabelecidos:
• Tempo efetivo de trabalho;
• Volume de material removido;
• Número de peças produzidas;
• Rugosidade da superfície gerada;
• Vibração do sistema máquina-ferramenta, ferramenta e peça.
24
A medição indireta do desgaste da ferramenta pode ser uma maneira eficiente de
indicar o fim de vida da mesma com critérios de final de vida pré-determinados, desta
forma, reduzem os desperdícios ocorridos com trocas prematuras e com os tempos
passivos, permitindo que a ferramenta seja utilizada com maior eficiência.
2.2.10 Mecanismo de formação do cavaco
Um dos problemas do processo de furação é a retirada dos cavacos de dentro do
furo. Caso os cavacos não forem formados de maneira que propiciem sua fácil retirada
do interior do furo, eles podem aumentar o momento toçor da ferramenta e, conseqüente,
ocasionar a quebra (DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2006).
Os tipos de cavacos são classificados da seguinte forma:
a) Cavaco contínuo: apresenta-se constituído de lamelas justapostas numa
disposição contínua. Forma-se na usinagem de matérias dúcteis. (DINIZ,
MARCONDES e COPPINI, 2006).
b) Cavaco cisalhado: o material, ao escorregar ao longo do plano de
cisalhamento, fissura no ponto mais solicitado. Esta fissura progride, então, até a
ruptura parcial ou total do cavaco (STEMMER, 1995).
c) Cavaco de ruptura: é o que se produz na usinagem de materiais frágeis, como
ferro fundido, tendo a forma de pequenos fragmentos independentes e distintos, gerados
essencialmente por uma ruptura (STEMMER, 1995).
Segundo Andrade (2005), o cavaco gerado na furação do ferro fundido
vermicular apresenta tipo e forma aproximada do cavaco gerado na mesma operação do
ferro fundido cinzento, ou seja, cavaco de ruptura.
25
2.2.11 Fluidos de corte
Um fluido de corte pode ser um refrigerante e/ou um lubrificante. Existem
situações onde a utilização de fluidos de corte é indesejável, como por exemplo, em
operações de fresamento, pois o fluido refrigerante pode causar fatiga térmica.
A classificação mais difundida de fluidos de corte agrupa os produtos da
seguinte forma (MACHADO e DA SILVA, 2004):
• Ar
• Aquosos:
- Água.
- Emulsões (óleos solúveis).
- Soluções químicas.
• Óleos:
- Óleos minerais.
- Óleos graxos.
- Óleos compostos.
- Óleos de extrema pressão.
Os fluidos de corte devem possuir as seguintes características (DINIZ,
MARCONDES e COPPINI, 2006):
• Resistir a altas pressões e temperaturas sem vaporizar;
• Boas propriedades anti-fricção;
• Viscosidade suficientemente baixa de modo a permitir uma fácil circulação
do fluido e suficientemente alta para permitir a aderência às superfícies da
ferramenta;
• Capacidade de proteger a peça e a máquina dos defeitos da corrosão;
• Não causar dano à pele humana e outros riscos à saúde;
• Isenção da tendência de originar precipitados sólidos.
26
2.3 MONITORAMENTO DO DESGASTE DE FERRAMENTA
Um sistema de monitoramento e controle do processo de usinagem procura
realizar atividades que ainda permanecem sob responsabilidade do homem, como por
exemplo, o estabelecimento do momento da troca da ferramenta, em que a capacidade
do operador de identificar o momento adequado da troca, considerando a máxima
utilização da ferramenta e respeitando os limites de qualidade da peça produzida é
pequena (CALDEIRANI FILHO, 1998).
As técnicas e as ferramentas de monitoramento não estão totalmente
desenvolvidas para ambientes industriais e não apresentam grande confiabilidade nas
respostas fornecidas, devido ao grande número de variáveis operacionais presentes no
processo e aos vários fatores que afetam o desgaste da ferramenta de corte. O sucesso
do monitoramento da vida da ferramenta depende da qualidade das informações
extraídas dos sinais coletados e do algorítmo computacional utilizado para modelar e
analisar a condição de usinagem (ALEXANDRE, 2005).
Segundo Elbestawi, Dumitrescu e Eu-Gene (2006) existem dois tipos de
monitoramento automático da condição da ferramenta: análise de sensibilidade e
sistemas de monitoramento.
• Análise de sensibilidade: são extraídos sinais do processo utilizando sensores.
Os sinais coletados são as respostas de um sistema dinâmico que contém informações
referentes ao estado atual do equipamento. Os sensores mais apropriados nesta
aplicação são de vibração, emissão acústica, corrente elétrica e temperatura.
• Sistemas de monitoramento: são criados modelos matemáticos que
representam o processo. Estes sistemas realizam processamento de sinais e tomada de
decisões. Estes modelos são alimentados por sinais de sensores.
Em princípio, existem dois métodos para analisar o desgaste da ferramenta:
medição direta e medição indireta. No método direto o desgaste é medido diretamente
na ferramenta (com lupa ou microscópio). No método indireto são medidos outros
parâmetros como vibração e corrente elétrica do sistema e estes sinais são
correlacionados com o desgaste da ferramenta (JANTUNEN, 2005).
27
Na operação de furação, os valores de vida útil da ferramenta apresentam uma
grande dispersão, o que torna necessário a utilização de valores mais baixos como
critério de final de vida. Isto faz com que muitas ferramentas não sejam totalmente
aproveitadas, aumentando o custo de produção devido excessivas trocas de ferramentas,
além do aumento do tempo de máquina parada (SOUTO, 2007).
O desgaste da ferramenta durante o processo de usinagem prejudica a precisão
dimensional e o acabamento superficial do produto. O progressivo aumento do desgaste
resulta no aumento da força de corte, as quais podem ocasionar a quebra repentina da
ferramenta, danificando o produto e a máquina-ferramenta. No processo de furação, o
desgaste não é constante na aresta de corte, pois a velocidade de corte varia de zero, no
centro da broca, até um valor máximo na periferia, causando diferentes condições de
corte e dificultando seu monitoramento.
Em teoria, no processo de furação não existem forças horizontais
(perpendiculares ao eixo da broca), pois as duas arestas de corte anulam as componentes
de força. Na prática, as forças horizontais existem e as razões para a ocorrência destas
forças são: a geometria da broca não é perfeita e as arestas de corte não possuem
exatamente uma geometria similar devido tolerâncias de fabricação; e o material da
peça não é exatamente homogêneo. Além disso, quando a broca está desgastada, as duas
arestas possuem desgastes diferentes, causando desbalanceamento das forças que
variam de acordo com o lado mais desgastado, dificultando o monitoramento do
processo de furação (JANTUNEN, 2004).
Segundo Dolinsek e Kopac (1999), para identificar as correlações entre os
parâmetros de usinagem e os sinais adquiridos é necessária à aplicação de métodos de
processamento de sinal e técnicas de inteligência artificial. Pesquisas para desenvolver
sistemas de aquisição de dados confiáveis estão sendo realizadas, mas apesar de todos
os estudos e experiências adquiridas, ainda não se pode utilizar ferramentas com toda
sua eficiência sem ocorrer o risco de quebra.
Muitos fatores dificultam o desenvolvimento de um sistema de monitoramento
confiável, tais como a utilização de sistemas baseados em modelos matemáticos que
requerem enormes quantidades de dados empíricos. Estes fatores podem levar a uma
interpretação incorreta do processo durante a usinagem, limitando o monitoramento de
um processo de usinagem (DIMLA, 2000).
28
Isso mostra a necessidade de que novas pesquisas, trabalhos e experimentos
continuem sendo realizados nesta área, permitindo um avanço tecnológico no
desenvolvimento de sistemas de monitoramento para produção.
As características desejáveis de um bom sistema de monitoramento são (DIMLA,
2000):
• Confiabilidade, não ser influenciado por ruídos externos;
• Ser pouco intrusivo, o sensor não deve interferir na operação de usinagem;
• Ter uma resposta rápida o suficiente para que o sistema de controle tome
decisões antes que ocorram eventos como quebras.
2.3.1 Monitoramento através da vibração
Vibração é definida como o movimento de um sistema dinâmico em torno de sua
posição estática. Para que um sistema mecânico vibre é necessário que o mesmo tenha
capacidade de armazenar energia cinética (que tenha inércia), energia potencial elástica
(que seja flexível) e uma excitação externa dependente do tempo. Geralmente, o
fenômeno da vibração ocorre devido aos efeitos dinâmicos de tolerâncias de fabricação,
folgas, o atrito entre peças de uma máquina e, principalmente, devido ao efeito de forças
dinâmicas desequilibradas de componentes rotativos de máquinas (DUARTE et.al
2003). A Figura 13 exibe um sinal de vibração harmônico puro.
Figura 13: Exemplo de um sinal de vibração harmônico puro (BROCH, 1984).
Tempo
29
A frequência de vibração é dada pela equação 3:
(3)
Onde:
F = Frequência;
T = Período.
Para o movimento harmônico, a posição da partícula em relação ao ponto de
referência pode ser descrito matematicamente pela equação 4:
)sin()( tXtx pico ω= (4)
Onde:
=)(tx função deslocamento;
t = tempo;
ω = frequência angular;
picoX = deslocamento máximo da partícula.
A velocidade da partícula em relação ao ponto de referência pode ser descrita
pela equação 5:
)2
sin()(π
ω += tVtv pico (5)
Onde:
=)(tv Função velocidade;
picoV = Velocidade máxima da partícula em relação a referência.
A aceleração da partícula em relação ao ponto de referência é representada
matematicamente pela equação 6:
)sin()( πω += tAta pico (6)
Onde:
=)(ta Função aceleração;
=picoA Aceleração máxima da partícula em relação ao ponto de referência.
TF
1=
30
A maior parte das vibrações encontradas não contém movimento harmônico
puro, mas muitas delas podem ser caracterizadas como periódicas. O movimento
periódico não-harmônico típico é apresentado na Figura 14, que representa a aceleração
de um pistão no motor de combustão.
Figura 14: Movimento periódico não harmônico (BROCH, 1984).
As vibrações mecânicas geralmente resultam de movimentos ondulatórios
periódicos. A natureza do sinal de vibração originado em processos de usinagem
incorpora também aspectos de vibrações livres, forçadas e aleatórias.
Os sistemas de monitoramento através de vibração mecânica são baseados no
fato de que os sistemas mecânicos, com partes móveis e com ciclo de movimento
repetitivo, são compostos de elementos flexíveis que oscilam em torno de sua posição
de equilíbrio estático, devido às excitações dinâmicas oriundas das variações de
esforços dinâmicos que atuam sobre o sistema. A dificuldade de utilizar vibrações
mecânicas para o monitoramento de máquinas e processos, diz respeito à identificação
do sintoma vibratório que está correlacionado com o que se deseja monitorar, pois os
níveis de vibração são fortemente dependentes das funções de resposta em frequência da
região onde a medição está sendo realizada (DUARTE et al, 2003).
Quando as forças de excitação são constantes, os níveis de vibrações medidos da
máquina também permanecem constantes. A partir do momento que o nível de
vibrações do sistema muda, o espectro de frequência também muda. Com a
comparação do espectro de frequência de um sistema danificado com um espectro de
frequência de um sistema sem problemas, a natureza e a localização das falhas podem
ser detectadas (CUNHA, 2005).
Segundo Dimla (2000), na usinagem as vibrações são conseqüências das
variações cíclicas das componentes dinâmicas da força de corte. Normalmente, estas
Tempo
31
vibrações começam como pequenas trepidações (chatter), responsáveis pelo aspecto
ondulado na superfície usinada e também por irregularidades na espessura do cavaco e,
posteriormente, progridem para a vibração propriamente dita.
As vantagens da utilização das medições de vibração está na sua simples
implantação, pois o sensor pode ser instalado no eixo-árvore sem realizar modificações
na máquina e na fixação da peça. Além disso, o sinal de vibração na direção axial e
radial não é alterado durante o corte, mantendo-se em uma frequência constante
(JANTUNEN, 2002).
El-Wardany, Gao e Elbestawi (1996) estudaram as características do sinal de
vibração no monitoramento do desgaste de ferramenta no processo de furação com
brocas de HSS de 6 mm de diâmetro em placas de ferro fundido nodular. Os autores
utilizaram dois sensores de vibração, um na direção axial e outro na direção radial do
eixo árvore, e simularam diferentes condições de desgaste de flanco (VBB) e de guia (H)
para ferramenta. Os parâmetros de corte foram constantes (vc = 12 m/min e f = 0,15
mm/rot). A Figura 15 apresenta o espectro de frequência de vibração para o
monitoramento na direção axial.
Figura 15 – Espectro de frequência na direção axial para diferentes condições de
desgaste (EL-WARDANY, GAO e ELBESTAWI, 1996).
Frequência (kHz) H = 0,28 mm
Frequência (kHz) H = 0,824 mm
Frequência (kHz) VBB = 0,62 mm
Frequência (kHz) VBB = 0,1 mm
d) c)
b) a)
32
Os itens a e b, mostram os resultados para duas condições de desgaste de guia da
ferramenta. Ocorreu um aumento da amplitude de vibração na frequência aproximada
de 3,5 kHz. Os itens c e d apresentam o espectro de frequência para duas condições de
desgaste médio de flanco. Também ocorreu um aumento da amplitude de vibração com
o aumento do desgaste, porém na frequência aproximada de 4,0 a 5,5 kHz.
A Figura 16 apresenta o espectro de frequência para o monitoramento na direção
radial do eixo árvore.
Figura 16 – Espectro de frequência na direção radial para diferentes condições de
desgaste (EL-WARDANY, GAO e ELBESTAWI, 1996).
Os itens a e b, mostram que existem picos de vibração com o aumento do
desgaste de guia na frequência de 4,0 kHz a 5,0 kHz. Para o desgaste de flanco (itens c e
d) ocorre um aumento da amplitude na frequência aproximada de 4,0 kHz.
El-Wardany, Gao e Elbestawi (1996) comentam que o sinal de vibração é
sensível ao desgaste de flanco e de guia no processo de furação, principalmente na
direção radial. Com o aumento do desgaste a amplitude do sinal começa a crescer e
imediatamente antes da quebra apresenta picos de amplitude independente das
condições de corte utilizadas.
Frequência (kHz) H = 0,28 mm
Frequência (kHz) H = 0,824 mm
Frequência (kHz) VBB = 0,62 mm
Frequência (kHz) VBB = 0,1 mm
a) b)
c) d)
33
Análises dos sinais de vibração no domínio do tempo também são eficientes,
pois com o aumento do desgaste da ferramenta, a amplitude do sinal cresce e
imediatamente antes da quebra, o sistema apresenta impulsos de vibração. A Figura 17
apresenta os resultados de monitoramento no domínio do tempo durante a usinagem de
ferro fundido cinzento com uma broca de HSS com 3 mm de diâmetro, vc= 29 m/mim e
f = 0,25 mm/rot.
Figura 17 – Sinais de vibração no domínio do tempo na direção radial
(EL-WARDANY, GAO e ELBESTAWI, 1996).
Tempo (segundos)
Tempo (segundos)
Tempo (segundos)
Quebra
a) Broca sem desgaste
b) Broca desgastada
c) Quebra da ferramenta
34
A Figura 17, item a, apresenta o sinal de vibração de uma broca no estado inicial
de usinagem. No item b, a ferramenta apresenta desgaste nas guias e nas arestas de corte,
aumentando a amplitude de vibração. No item c, na eminência da quebra da ferramenta,
existem impulsos de vibração que aumentam até ocorrer o evento.
2.3.2 Monitoramento através da emissão acústica
Diversos pesquisadores investigam a aplicação dos sinais de emissão acústica
(EA) no monitorando das condições do desgaste da ferramenta e na detecção de quebra.
Porém, a maioria das publicações se referem ao monitoramento e supervisão dos
processos de torneamento e fresamento (HERMANN, 2003). Emissão acústica é
convencionalmente definida como ondas resultantes da rápida liberação de energia
durante a deformação plástica, fratura ou mudanças internas da estrutura de um material
(DONG, 1994).
O sinal de EA pode ser classificado em dois tipos (BLUM e INASAKI, 1990):
Sinal contínuo e sinal de pico (transiente). O sinal contínuo está associado à deformação
da peça ou do cavaco, ao atrito da peça com a ferramenta. O sinal de pico, conforme
mostra a Figura 18, possui uma maior energia que o sinal contínuo, devido a eventos
localizados como trincas, quebra ou lascamento da ferramenta, podendo ser
diferenciado facilmente durante o processo de corte (CALDEIRANI FILHO, 1998).
Figura 18 - Caracterização de um sinal de emissão acústica (LI, 2002).
As ondas de Emissão Acústica não são audíveis, pois sua faixa de frequência é
de aproximadamente 50 kHz a 1000 kHz (BLUM e DORNFELD, 1990). A Figura 19
apresenta a faixa de frequência do sinal de EA comparando com as frequências de
diversas ondas.
Tempo (segundos)
35
Figura 19 – Comparação da faixa de frequência da onde da EA com as demais ondas.
(BLUM e DORNFELD, 1990).
A maioria das pesquisas realizadas com o sinal de emissão acústica utiliza o
voltímetro RMS devido à sua relativa facilidade de processamento. Ele transforma o
sinal de entrada, de alta frequência, em um sinal de saída em RMS, normalmente com
um taxa de amostragem de 0,0002 segundos. Isto é normalmente necessário porque as
placas Analógico/Digital (A/D), em geral, não têm velocidade de amostragem suficiente
para armazenar estes sinais. Além disso, a alta frequência dificulta o armazenamento do
sinal digitalizado durante o processo. Por exemplo, um sinal com freqüência de 500 kHz
deve ser digitalizado a uma freqüência de pelo menos 1000 kHz, para que o sinal
amostrado seja representativo do sinal real, e isto significa 1000000 de pontos em 1
segundo de tempo de corte (CALDEIRANI FILHO, 1998).
Dimla (2000) faz uma revisão dos tipos de sinais utilizados para monitorar o
desgaste de ferramenta. O autor comenta que a EA gerada durante o corte é bem menor
que a EA gerada quando ocorrem trincas e quebras na ferramenta. Sendo assim, uma
das principais deficiências da aplicação do sinal de emissão acústica está na dificuldade
de indicar às condições intermediárias de desgaste da ferramenta. Porém, pode ser
utilizada com eficiência para evitar quebras durante a usinagem.
Konig, Kutzner e Schehl (1992) realizaram monitoramento do desgaste com
sinais EA em brocas de diâmetros menores que 6 milímetros, adotando como critério de
final de vida VBBmáx = 0,28mm. A Figura 20 apresenta os sinais obtidos em 4 brocas.
100 102
104 106 108 1010 1012 10
14 1016 F (Hz)
Som
Ondas de rádio
Micro ondas
Infravermelho
Luz visível
Ultra-violeta
Raio X
Emissão acústica
36
Figura 20 – Sinal de EA para brocas com 2 milímetros de diâmetro: a) Broca 1;
b) Broca 2; c) Broca 3 e d) Broca 4 (KONIG, KUTZNER e SCHEHL, 1992).
Constatou-se um aumento de intensidade do sinal apenas no final da vida das
ferramentas. Os autores explicam que a vibração torcional que exita os sinais de EA não
tem a mesma intensidade para cada broca, devido ao desgaste não ser simétrico, sendo
assim, existem amplitudes diferentes do sinal no final de vida de cada ferramenta.
Konig, Kutzner e Schehl (1992) apresentam uma estratégia de monitoramento
utilizando o sinal de EA definindo um valor de tensão pré-estabelecido (threshold)
sobre o valor de tensão original de EA. Foi observado que a amplitude do sinal aumenta
significativamente no instante em que ocorrem trincas ou quebra da ferramenta, neste
caso o valor threshold é violado e o sistema pode gerar um alarme ou interromper a
operação. A Figura 21 exemplifica esta estratégia.
Broca: HSS d=2 mm vc = 30 m/min f = 0,1 mm/rot L= 10 mm Material = Ck53 N
Número de furos Número de furos
d) c)
a) b)
37
Figura 21 – Detecção de quebra de ferramenta com o sinal de EA
(KONIG, KUTZNER e SCHEHL, 1992).
As características dos sinais de emissão acústica no processo de furação com
brocas de HSS foram estudadas por Dong et al (1994). O sinal RMS de EA apresentou
uma grande sensibilidade à variação da profundidade e do diâmetro do furo. Segundo o
autor, em furos com pequenas profundidades o cavaco escoa facilmente pelos canais da
ferramenta, consequentemente o sinal EA neste estágio é gerado principalmente pelo
esforço de corte. Quando a profundidade aumenta, o cavaco tem dificuldade para escoar
e gera atrito com a superfície do furo, resultando em ondas de vibração que aumentam
significativamente o sinal EA detectado. Dong et al (1994) conclui que o processo de
furação é muito dinâmico e o atrito entre o cavaco e a superfície do furo usinado
contribui significativamente para a variação do sinal RMS de EA.
A influência do desgaste da ferramenta no sinal de EA é comentado por
Calderani Filho (1998). Segundo o autor, com o crescimento do desgaste de flanco a
área de contato peça/ferramenta aumenta, consequentemente aumenta o atrito,
resultando em um crescimento do sinal de EA ao longo do tempo.
A vantagem de utilizar o sinal EA está no fato do mesmo se propagar através da
peça, assim a localização do sensor próximo ao processo não é crucial, permitindo uma
fácil implantação em qualquer aplicação do processo de furação. Além disso, o sinal de
EA é de alta freqüência, o que facilita a identificação de sinais oriundos de falhas e
avarias no processo (ELBESTAWI, DUMITRESCU e EU-GENE, 2006).
Tempo (ms)
Quebra
38
2.3.3 Monitoramento através dos parâmetros elétricos do motor
Segundo Ferraresi (1970), medir os parâmetros elétricos do motor da máquina é medir
os esforços de corte. Quando o motor da máquina fornece potência mecânica necessária para
executar uma operação de usinagem, consome corrente elétrica em uma quantidade
diretamente proporcional à potência e a força de corte gerada. Porém, existem perdas devido
ao atrito e a inércia do sistema, sendo assim nem toda potência elétrica gerada no processo é
transformada em potência mecânica, como pode ser visto na equação 9. Como nem toda
potência elétrica consumida é transformada em potência mecânica, há uma perda de precisão
no sistema de monitoramento.
η
PmecPel = (9)
Onde:
Pel= Potência elétrica;
Pmec= Potência mecânica;
�= Rendimento de motor.
Em uma máquina com motor de corrente contínua, a potência elétrica gerada é
proporcional à corrente e à tensão, conforme a equação 10:
Pel=U.i (10)
Onde:
U= Tensão;
i= Corrente elétrica.
Sabendo-se que:
Pmec= Fc.vc e Fc= Ks.ap.f (11) e (12)
Onde:
Fc= Força de corte;
Ks = Pressão específica de corte;
ap= Profundidade de corte.
Substituindo (10), (11) e (12) em (9) e concluir que:
U
vfaKsi
cp
.
...
η= (13)
39
Analisando uma situação onde os parâmetros de corte (vc, ap e f) são constantes,
conclui-se que a corrente elétrica consumida pelo motor da máquina será proporcional à força
de corte executada pela ferramenta.
Costa (2003) cita as vantagens que este método de monitoramento apresenta em
relação aos demais:
• É um método muito pouco intrusivo, pois os sensores que captam os sinais ficam
distantes da área de corte;
• Os sensores utilizados são simples, o que reduz bastante o custo deste método, sendo
que em alguns equipamentos são fornecidos de fábrica com esse instrumento instalado.
• O choque de entrada da ferramenta na peça não possui grande influência no valor da
corrente elétrica consumida pelo motor, tornando este sistema de monitoramento mais
eficiente em operações de corte intermitente.
Caldeirani Filho (1998) realizou um trabalho de monitoramento, adquirindo o sinal de
corrente elétrica e emissão acústica no processo de fresamento frontal. Segundo o autor, a
evolução do sinal de corrente elétrica se apresentou melhor que a emissão acústica no
acompanhamento do desgaste da ferramenta, mostrando bons resultados para o
estabelecimento automático e indireto da vida da ferramenta de fresamento frontal.
Li e Tso (1999) monitoraram o desgaste de flanco no processo de furação com os
sinais da corrente elétrica do eixo árvore e do eixo de avanço, com brocas de HSS com
diâmetro de 9,6 mm, vc = 18,09 m/min e f = 0,15 mm/rot, em corpos de prova de aço 1045.
Verificou-se que a amplitude da corrente aumenta com o desgaste de flanco, associado com a
fricção entre a ferramenta e o corpo de prova. A corrente do motor do eixo de avanço se
mostrou mais sensível ao desgaste de flanco. A Figura 22 mostra que a corrente elétrica
aumenta linearmente com o aumento do desgaste de flanco.
Figura 22 - Efeito do VBBmax nos sinais de corrente (LI e TSO, 1999).
VBBmáx (mm)
� Corrente média do motor do eixo árvore. � Corrente média do motor de avanço.
40
Li e Tso (1999) também estudaram a influência do diâmetro da ferramenta na corrente
elétrica da máquina e concluíram que o motor do eixo de avanço possui uma variação
praticamente linear com a alteração do diâmetro, conforme Figura 23.
Figura 23 - Efeito do diâmetro nos sinais de corrente (LI e TSO, 1999).
Adamczyk (1998) correlacionou o desgaste de flanco e de guia de uma broca com os
sinais de corrente do eixo de avanço e rotação. Em ambos os casos houve a variação da
corrente com o aumento do desgaste.
2.3.4 Sistemas de monitoramento
Um sistema de monitoramento do estado da ferramenta de corte (TCM - Tool
Condition Monitoring) consiste, na maioria das vezes, de uma seqüência de subsistemas para
a condução dos dados, desde a detecção dos sinais até o diagnóstico do estado da ferramenta.
Segue a seqüência de subsistemas:
• Aquisição de sinais;
• Condicionamento de sinais;
• Tratamento de sinais;
• Reação ou tomada de decisão.
a) Aquisição de sinais: a aquisição dos sinais de estado da ferramenta em sistemas de
monitoramento é realizada por métodos indiretos (sinais de sensores), que acompanha e avalia
uma grandeza física que pode ser correlacionada com o desgaste da ferramenta durante o
processo (CISNEROS et al, 2003). Segundo Sick (2002) a medição da força de corte pelo
método indireto pode ser realizada com sensores acoplados na ferramenta, no cone de fixação,
na peça ou em anéis acoplados no eixo árvore.
� Corrente média do motor do eixo árvore. � Corrente média do motor de avanço.
Diâmetro ferramenta (mm)
41
b) Condicionamento do sinal: A dificuldade de se aplicar as tecnologias de
sensoriamento em chão-de-fábrica está no alto nível de ruído de diversas naturezas do
ambiente industrial. Os sinais adquiridos precisam ser devidamente configurados visando
gerar características significativas às condições de usinagem. Os sinais de saída dos sensores
geralmente são amplificados, filtrados, convertidos de analógico para digital e armazenados
na memória do computador, para uma posterior análise ou para controle do processo
(ALEXANDRE, 2005). Um sinal é dito analógico quando varia continuamente no tempo,
também chamado de tempo contínuo, estabelecendo a marcação de infinitos valores dentro de
um intervalo, como representado na Figura 24, item a. Um sinal é digital quando varia
bruscamente no tempo, também chamado de tempo discreto, sendo que esta variação discreta
estabelece a marcação de uma quantidade finita de valores dentro de um intervalo qualquer,
como pode ser observado na Figura 24, item b (SILVEIRA E SANTOS, 2007).
Figura 24 – Sinal A/D: a) Sinal de tempo contínuo;
b) Sinal de tempo discreto (SILVEIRA E SANTOS, 2007).
c) Tratamento de sinais: após o condicionamento, é realizado um processo para extrair
as informações dos sinais com a máxima confiabilidade. Isto caracteriza o processo de
identificação de falhas da ferramenta, já que os sinais captados são usados por um sistema
discriminante de informações com o intuito de representar a condição da ferramenta. O
objetivo é encontrar um modelo que represente fielmente o sistema de interesse, capaz de
ressaltar as características da evolução da vida da ferramenta. Devido à aleatoriedade dos
sinais, a análise e a interpretação podem apresentar dificuldades, pois não podem ser descritos
por equações matemáticas, a não ser com grandes simplificações.
a) b)
42
d) Reação ou tomada de decisão: a partir de informações obtidas através dos níveis de
vibração, por exemplo, pode-se detectar alguma falha no processo, desgaste ou quebra da
ferramenta, sendo que o sistema pode tomar as seguintes decisões (ALEXANDRE, 2005):
• Indicar alguma informação no monitor do equipamento (ativar um alarme);
• Diagnosticar o problema e sugerir solução;
• Parar imediatamente o processo na eminência de uma quebra;
• Substituir a ferramenta desgastada automaticamente.
Segundo Dolinsek e Kopac (1999), após a aquisição dos sinais deve-se aplicar
métodos de processamento de sinal e técnicas de inteligência artificial para facilitar na
identificação de correlações entre os parâmetros de usinagem e os sinais adquiridos. Portanto,
o sistema de monitoramento consiste de aquisição, processamento, extração das
características relevantes, aplicação de um algoritmo que irá estimar as condições do processo,
conforme mostrado na Figura 25.
Figura 25 - Representação de um sistema de monitoramento (DOLINSEK E KOPAC, 1999).
2.3.5 Técnicas de análise de sinais
De um modo geral, as técnicas de análise de sinais podem ser divididas de acordo com
o domínio em que o sinal é tratado. Estas técnicas podem ser baseadas no domínio do tempo e
no domínio da frequência.
43
2.3.5.1 Análise no domínio do tempo
As técnicas de análise no domínio do tempo são de simples aplicação, sendo a análise
do nível de RMS, pico, número de picos, desvio padrão, fator de crista, curtose e assimetria os
mais utilizados (DIMLA, 2000; JANTUNEN, 2005; LI, 2006 e SOUTO, 2007).
a) RMS (VRMS): é a raiz quadrada da média do quadrado da tensão do sinal, que
permite avaliar a energia contida no mesmo. Segundo Teti e Dornfeld (1989) apud Souto
(2007), o valor RMS do sinal de EA pode ser expresso de acordo com a equação 14:
�∆
∆=
T
RMS dttVT
V0
2 ))(1
(14)
Onde:
V(t) = Função do sinal;
�T = Constante de tempo.
Como significado destas grandezas para análise de sinais, de acordo com Mitchell
(1993), o valor do nível de tensão RMS do sinal fornece uma estimativa do conteúdo de
energia presente no sinal, indicando a severidade da vibração proveniente do sistema
analisado. O valor RMS aumenta com o aumento do valor e do número de picos no sinal. A
Figura 26 ilustra o valor RMS de um sinal.
Figura 26 - Valor RMS de um sinal. (MEOLA, 2005).
44
b) Pico (Pico): o valor de pico indica níveis máximos de sinais transientes da amostra.
Este parâmetro é sensível a impulsos de sinais, como por exemplo, uma quebra de ferramenta
(LI, 2006).
c) Número de picos: é o número de vezes que o sinal ultrapassa um valor de tensão
pré-estabelecido (threshold (Vs)), conforme Figura 27.
Figura 27 - Representação esquemática do Número de Picos (BEATTIE, 1983 apud
CALDEIRANI FILHO, 1998).
d) Desvio padrão (σ ): mede a dispersão dos dados em relação à média aritmética e é
calculado pela equação 15.
�=
=
−=
Ni
i
i
N
xx
1
2)(σ (15)
Onde:
N = Número de amostras da distribuição.
e) Fator de crista (FC): o parâmetro fator de crista é a razão entre o valor do pico e o
valor RMS da amostra, conforme equação 16.
RMSV
PicoFC = (16)
45
O fator de crista indica se a onda é homogênea ao longo do tempo. Grandes valores
para o fator de crista indicam a presença de algum pico destacado no sinal (CUNHA, 2005),
conforme ilustra Figura 28.
Figura 28 – a) Sinal homogêneo; b) Sinal com picos destacados.
Quando a ferramenta apresenta desgaste excessivo, aumenta o valor de pico e
consequentemente o valor RMS do sinal. O fator de crista consegue identificar esta variação,
conforme ilustra a Figura 29. Grandes valores do fator de crista podem estar associados a
lascamento ou eminência de quebra da ferramenta.
Figura 29 - Influência da variação dos valores de pico e RMS no fator de crista
(MEOLA, 2005).
f) Curtose (K): mede a dispersão da função probabilidade. Um valor de curtose maior
que 3 indica uma pequena dispersão dos pontos e um valor menor que 3 indica uma grande
dispersão dos pontos. Curtose é calculado pela equação 17.
( )�=
=
−=
Ni
i
i xx
NK
122
4)(1
σ (17)
Onde:
N = Número de amostras da distribuição;
2σ = Variância em torno da média da distribuição.
a) b)
Ferramenta com desgaste
Ferramenta com desgaste Inicial
Inicial
46
A Figura 30 ilustra a variação da curtose.
Figura 30 - Valores da curtose para alguns sinais (MACÁRIO, 2006)
El-Wardany, Gao e Elbestawi (1996) verificaram que, no processo de furação, quando
aumenta o desgaste da ferramenta o valor de curtose diminui, devido o aumento do número de
picos no sinal, conforme apresenta a Figura 31.
Figura 31 – Variação da curtose: a) Sinal com 2 picos; b) Sinal com 20 picos.
(EL-WARDANY, GAO e ELBESTAWI, 1996).
g) Assimetria (S): mede a simetria da função de probabilidade em torno da média. Um
valor de assimetria negativo indica que a maior parte dos pontos encontram-se à esquerda da
média, enquanto que um valor de assimetria positivo indica que a maior parte dos pontos
encontram-se a direita da média. A assimetria é definida como o momento normalizado de
terceira ordem da distribuição, é calculado pela equação 18 (KANNATEY-ASIBU e
DORNFELD, 1986).
( )�=
=
−=
Ni
i
i xx
NS
1 2
32
3)(1
σ
(18)
Tempo (s) Número de picos =2; Curtose = 33,95
Tempo (s) Número de picos = 20; Curtose = 6,94
47
Onde:
N = Número de amostras da distribuição;
2σ = Variância em torno da média da distribuição;
A Figura 32 ilustra a variação da assimetria.
Figura 32 - Assimetria da distribuição (MACÁRIO, 2006).
Quando o valor de assimetria é zero o sinal do sistema apresenta uma distribuição
gaussiana e quando a função de probabilidades não segue mais uma distribuição gaussiana, os
valores de assimetria são alterados. Segundo Macário (2006) valores de assimetria distantes
de zero podem estar relacionados com falhas no sistema ou problemas na aquisição dos sinais.
2.3.5.2 Análise no domínio da frequência
A dificuldade de monitorar máquinas e processos está no fato dos sinais coletados
serem fortemente dependentes das funções de resposta em frequência da região onde a
medição está sendo realizada (DUARTE et al, 2003), pois os sinais podem ser influenciados
pela variação do material da peça usinada e pela estrutura da máquina (ELBESTAWI,
DUMITRESCU e EU-GENE, 2006 e JANTUNEN, 2002).
Cada elemento do sistema gera frequências identificáveis no espectro de frequência,
onde é possível detectar mudanças na frequência do sinal causadas, por exemplo, pelo
desgaste da ferramenta, definindo uma faixa do espectro correspondente ao fenômeno
(ELBESTAWI, DUMITRESCU e EU-GENE, 2006).
A técnica mais usual de transformar o sinal de vibração do domínio do tempo para
frequência é utilizando a Transformada Rápida de Fourier ( Fast Fourier Transform - FFT). O
espectro de frequência é um gráfico de amplitude de resposta pela frequência. A dedução e as
propriedades da FFT podem ser encontradas em Boyce e Diprima (2002).
48
Para verificar a utilização da FFT, considera-se um sinal onde os dados foram
adquiridos com uma taxa de aquisição de 1000 Hz, com as frequências notáveis em 50 Hz e
120 Hz, conforme a equação 19.
f(t) = sen (2�(50t)) + sen (2�(120t)) (19)
O sinal da equação 19 plotado no domínio do tempo está ilustrado na Figura 33.
Figura 33 – Sinal no domínio do tempo da equação 19.
É difícil identificar as frequências analisando o sinal no domínio do tempo.
Convertendo para o domínio da frequência utilizando a FTT, verifica-se claramente os picos
de amplitude nas frequências de 50 Hz e 120 Hz na Figura 34.
Figura 34 - Espectro de frequência da equação 19.
Tempo (s)
Frequência (Hz)
49
2.3.6 Considerações sobre os tipos de sensores
2.3.6.1 Sensor de vibração
Existem vários modelos de sensores de vibração. Além das dimensões e da massa, a
sua escolha recai sobre sua sensibilidade. Estes equipamentos podem ser uni, bi ou tri axial,
além de possuírem diversas frequências de observação.
a) Acelerômetro de vibração piezoelétrico:
O transdutor mais utilizado para medir a vibração é o acelerômetro piezoelétrico.
Possui amplas faixas de frequência, com boa linearidade em todas as faixas. É relativamente
robusto e de confiança, de modo que suas características se mantêm estáveis por muito tempo.
Além disso, o acelerômetro piezoelétrico é auto-gerador, de modo que não necessita de uma
fonte de energia externa. Não tem peças móveis, que se desgastam e, finalmente, sua saída é
proporcional a aceleração e pode ser integrada de modo a fornecer sinais proporcionais à
velocidade e ao deslocamento.
O acelerômetro piezoelétrico é composto de uma pastilha de material piezoelétrico,
geralmente de cerâmica artificialmente polarizado, que apresenta o efeito piezoelétrico típico.
Quando submetido à pressão mecânica, quer por tensão, compressão ou cisalhamento, gera
uma carga elétrica nas faces, a qual é proporcional à força aplicada.
Possuem alta sensibilidade e larga faixa de trabalho quando comparados com os
demais modelos de acelerômetros. Existem acelerômetros hermeticamente selados para
aplicações em ambientes industriais (BRÜEL & KJAER, 2007).
b) Acelerômetro de vibração piezo-resistivo:
Estes acelerômetros consistem de uma massa presa por uma mola. À medida que o
artefato é acelerado, uma força (força = massa x aceleração) é desenvolvida e afeta a mola
sustentadora. Resistores piezelétricos situados no artefato, onde a massa encontra o suporte
(local onde o esforço é maior) podem ser usados para detectar a aceleração (KRELLING,
2006). Uma representação esquemática do acelerômetro piezo resistivo pode ser observado na
Figura 35.
50
Figura 35 - Esquema de acelerômetro piezo resistivo (KRELLING, 2006).
c) Acelerômetro de vibração capacitivo:
Capacitores são componentes elétricos que armazenam carga. Um capacitor simples é
formado dispondo-se duas placas paralelamente uma à outra. A capacitância deste
componente é dada pela equação 20:
0x
eAC = (20)
Onde:
e = constante do material entre as placas do capacitor;
A = área das placas do capacitor;
x0= distância entre placas do capacitor.
A capacitância é inversamente proporcional à distância entre as placas. É possível
utilizar esta técnica para medir pequenos deslocamentos com alta precisão, porém a
instrumentação requerida para medir a variação da capacitância é eletronicamente complexa
(KRELLING,2006).
2.3.6.2 Sensor de emissão acústica
Os sinais de EA podem se basear em vários princípios físicos, como dispositivos
eletromagnéticos , microfones capacitivos e dispositivos piezelétricos, sendo o último o mais
utilizado, pois podem ser instalados em ambientes agressivos, como altas temperaturas,
grandes volumes de fluidos de corte e cavaco. (CISNEROS, 2006).
51
Os sensores de emissão acústica são dispositivos que geram um sinal elétrico quando
estimulados por uma onda de emissão acústica, que pode ser plotado em um gráfico tensão x
tempo (CALDERANI FILHO, 1998). Um esquema de um sensor EA é apresentado na Figura
36.
Figura 36 - Esquema de um sensor EA (CISNEROS, 2006).
2.3.6.3 Sensor de corrente
O efeito Hall é a tensão induzida em um material semi-condutor gerada pela passagem
de um campo elétrico (DORNFELD, 2001). O efeito Hall foi descoberto quando um condutor
elétrico foi submetido a um campo magnético perpendicular à direção da corrente elétrica e
verificou-se que uma diferença de potencial elétrico aparecia nas laterais deste condutor na
presença do campo magnético.
Os sinais de corrente elétrica são adquiridos pelo sensor de efeito Hall, que é instalado
circulando o cabo condutor da corrente elétrica, que libera um sinal diretamente proporcional
a corrente elétrica do equipamento (CALDEIRANI FILHO, 1998).
52
3 MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E METODOLOGIA
Este capítulo tem como objetivo descrever os materiais, equipamentos e a metodologia
adotada neste trabalho. A partir destes, obtiveram-se resultados que serviram de base para as
análises e discussões dos testes realizados.
3.1 MATERIAL UTILIZADO
Foram utilizados blocos de motor de ferro fundido vermicular de uma linha de
usinagem de produção em série. A composição química base dos blocos de ferro fundido
vermicular utilizados encontram-se dentro das faixas recomendadas na literatura (ASM, 1996),
apresentadas na Tabela 2.
Tabela 2 – Composição química do ferro fundido vermicular (ASM, 1996).
C[%] Si[%] Mn[%] P[%] S[%] Mg[%] Cueq[%]
3,1 a 4,0 1,7 a 3,0 0,1 a 0,6 máx 0,060 0,007 a 0,012 0,08 a 0,14 0,6 a 1,5
Onde o cobre equivalente (Cueq) representa a quantidade de elementos formadores de
perlita e é definido pela equação 21:
Cueq = Cu + 10.Sn + 0,5.Mn + 1,2.Cr [%] (21)
Em produção, os materiais são caracterizados através da análise microestrutural do
lote produzido. De cada lote de peças é retirada uma amostra, onde é avaliado os tipos de
grafita (porcentagem de grafita nodular e vermicular). A mesma amostra é utilizada na
quantificação das porcentagens de perlita e grafita, após ataque com nital 2%. A Figura 37
apresenta a micrografia de um dos lotes utilizados, obtida ao microscópio óptico, com
aumento de 100x.
53
a) b)
Figura 37: Micrografias do ferro fundido vermicular: a) Sem ataque; b) Com ataque
de nital 2%. Aumento de 100x.
A especificação de dureza e resistência mecânica do material são as seguintes:
• Dureza: 215 a 265 HB;
• Resistência a tração: 420 MPa mínimo;
• Limite de escoamento: 310 MPa mínimo;
• Alongamento: 1,0 % mínimo;
• Módulo de elasticidade: 140 GPa mínimo.
A face do bloco utilizada para realizar as furações foi a face do carter fresada em
acabamento e com rugosidade Rz = 10 m. Em cada bloco foram realizadas 10 furações,
conforme apresenta a Figura 38.
Figura 38 – Face do carter com furações.
1 2 3 4 5
10 9 8
7 6
54
As características dimensionais dos furos realizados estão ilustradas na Figura 39.
Figura 39 – Características do furo monitorado.
3.2 FERRAMENTAS UTILIZADAS
Foram utilizadas 5 brocas escalonadas de canal reto de metal-duro, com revestimeno
de nitreto de titânio alumínio (TiNAl) conforme Figura 40.
a) Foto de uma das brocas utilizadas nos ensaios.
b) Características dimensionais das brocas.
Figura 40 – Representação das brocas utilizadas nos ensaios.
O 0,5
55
Os principais ângulos das brocas utilizadas são:
• Ângulo de ponta: � = 140 º;
• Ângulo de incidência: � = 13 º;
• Ângulo da aresta transversal: � = 3 º.
Cada broca foi fixada em um mandril térmico ISO-40. O batimento máximo tolerado
após a montagem da ferramenta é de 0,04 mm em relação ao cone de fixação, conforme
indicado na Figura 41.
Figura 41 – Montagem da broca escalonada fixada no mandril térmico ISO-40.
3.3 MÁQUINA-FERRAMENTA
Os ensaios de furação foram realizados em um Centro de Usinagem Horizontal (CUH)
Heller MC-16 ISO-40, com comando GE-Fanuc – 180i, rotação máxima de 10.000 rpm e
potência disponível de 30 kW.
3.4 PARÂMETROS DE PROCESSO
Os parâmetros de corte empregados foram definidos de acordo com os valores
utilizados na linha de produção de ferro fundido vermicular: vc = 90 m/min e f = 0,25
mm/rotação. Foi utilizado fluido de corte emulsionável, com concentração de 5 a 7%.
56
b) a)
3.5 FIXAÇÃO DAS PEÇAS
Os blocos de motor foram fixados em um dispositivo hidráulico com pressão de
fixação de 60 bar, localizados por dois guias de manufatura da peça. Esta fixação garante
estabilidade, rigidez e precisão na realização dos ensaios. A Figura 42 apresenta o dispositivo
de fixação e da peça fixada.
Figura 42 – a) Dispositivo de fixação; b) Peça fixada no dispositivo.
3.6 AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DOS FUROS
Para avaliar a qualidade dos furos foram controladas as seguintes características com
os respectivos equipamentos:
• Profundidade máxima de 22 mm:
Frequência: 100 %.
Meio de medição: Calibrador de profundidade por atributo “passa/ não–passa” (PNP).
• Posicional de 0,5 mm do furo usinado em relação aos guias de manufatura da peça.
Frequência: 100 %.
Meio de medição: Máquina de medição por coordenada Mitutoyo Beyond A1212.
Guias do dispositivo
57
Caso alguma das características controladas do produto fosse reprovada, os sinais dos
sensores eram descartados e as furações eram refeitas e controladas. Os sinais eram
armazenados quando todas as características estavam aprovadas.
3.7 CRITÉRIO DE FIM DE VIDA UTILIZADO
O critério de fim de vida da ferramenta foi o desgaste de flanco máximo (VBBmáx),
pois este gera tensões que atuam na superfície de folga da ferramenta decorrentes do aumento
do atrito entre a peça e a ferramenta (TRENT, 1991), podendo causar excitações nos sinais
dos sensores. Foram medidos os desgastes de flanco (VBBmáx ) das duas arestas de corte da
broca, sendo o maior valor representativo para os resultados.
Como ponto de referência para a medição dos desgastes VBBmax foi utilizado a aresta
principal da ferramenta, conforme indicado na Figura 43. Para medição foi utilizado um
Microscópio Estéreo Olympus SZ61 com uma câmera de vídeo da Media Cybernetics,
modelo Evolution LC Color, acoplada e o software Image-Pro Express 6.3 instalado em um
computador para auxiliar na aquisição de fotos.
Figura 43 – Medição de desgaste de flanco em uma broca
(SCHROETER et al, 1999).
Os estados de desgaste foram nomeados da seguinte forma:
1) Estado 1: Ferramenta sem desgaste.
• VBBmax = 0 mm.
2) Estado 2: Ferramenta com desgaste intermediário.
• VBBmax = 0,2 a 0,3 mm.
3) Estado 3: Ferramenta com desgaste elevado (fim de vida).
• VBBmax = 0,4 a 0,7 mm.
Aresta principal
58
No estado 1, as ferramentas tiveram sua geometria inspecionada para verificar
eventuais erros de fabricação como trincas ou lascamento, pois qualquer alteração
dimensional e/ou angular causam respostas distintas do material da peça sobre a aresta de
corte da ferramenta (TEXEIRA, 2005).
3.8 SENSORES UTILIZADOS
Os três sensores utilizados estão listados a seguir:
• Sensor de vibração:
Tipo: Acelerômetro piezoelétrico;
Modelo: 8341 da Brüel & Kjaer
Faixa de frequência: 0,5 a 50000 Hz;
Temperatura de operação: -50 ºC a 100 ºC;
Massa: 41 g.
• Sensor de emissão acústica:
Tipo: Sensor emissão acústica piezoelétrico;
Modelo: 8152B da Kistler
Faixa de frequência: 50 a 400 kHz;
Temperatura de operação: -40 ºC a 60 ºC;
Massa: 29 g.
• Sensor de corrente:
Tipo: Transdutor de corrente;
Modelo: HAS200-S da LEM;
Corrente nominal (RMS): 200 A;
Faixa de medição de corrente: 200 ± 600 A;
Temperatura de operação: -10 ºC a 80 ºC;
Massa: 60 g.
59
A Figura 44 ilustra os sensores de vibração, emissão acústica e corrente utilizados
neste trabalho.
a) b) c)
Figura 44 – a) Sensor de vibração; b) Sensor de emissão acústica; c) Sensor de corrente.
Foi acoplado no eixo árvore do centro de usinagem um anel de aço 1020, onde
foram fixados os sensores de vibração e emissão acústica. O anel é bi-partido, fixado por dois
parafusos M12, para facilitar a desmontagem do mesmo no caso de manutenção do eixo
árvore. A Figura 45 apresenta a montagem do anel.
Figura 45 –Fixação dos sensores de vibração e emissão acústica.
Os sensores de vibração e emissão acústica foram fixados no anel acoplado ao eixo
árvore, posicionados na direção radial do eixo árvore, seguindo as instruções técnicas dos
fabricantes. O sensor de vibração foi fixado no anel por uma rosca ¼” x 28 UNF e o sensor de
emissão acústica foi fixado por um parafuso M6 x 25mm, conforme ilustra a Figura 46.
Local onde os sensores foram instalados
Anel de aço 1020
Cabo de saída dos sinais dos sensores de vibração e EA
60
Figura 46 - Fixação dos sensores: a) Sensor de vibração; b) Sensor de emissão acústica.
O sensor de corrente foi acoplado no cabo de alimentação elétrica do motor de
avanço do CUH. A Figura 47 apresenta o sensor instalado.
Figura 47 – Sensor de corrente instalado.
Furo de travamento
a)
Graxa de silicone
b)
Sensor de corrente instalado
Painel elétrico do CUH
61
3.9 AQUISIÇÃO DOS SINAIS
O sinal de vibração foi adquirido com uma taxa de aquisição de 50 kHz.
O sinal de emissão acústica foi conectado a um condicionador de sinais com a
constante de integração ajustada em 0,0002 segundos (sinal RMS), gerando uma taxa de
aquisição de 5 kHz. O condicionador transforma o sinal bruto de entrada em um sinal RMS de
saída devido a dificuldade de processamento de sinais de alta freqüência (400 kHz). Segundo
Caldeirani Fillho (1998), com este processo a análise não será feita no sinal bruto, o que
inviabiliza uma análise espectral, pois o sinal RMS elimina freqüências presente no sinal
bruto.
O sinal de corrente elétrica foi adquirido com um sensor de efeito Hall ligado ao cabo
da corrente elétrica do motor de avanço do eixo “z” da máquina, onde a calibração de
medição da corrente foi executada de modo que 1A = 100mV. A taxa de aquisição foi de 5
kHz.
O tempo de usinagem de cada furo foi de 1,26 segundos, de acordo com os parâmetros
de processo utilizados (vc = 90 m/min, f = 0,25 mm/rot, furo com diâmetro de 6,8 mm e
profundidade de 22 mm), sendo assim temos para cada furo monitorado as seguintes
quantidades de pontos:
• Sinal de vibração: Taxa aquisição = 50 kHz � 63000 pontos por furo;
• Sinal emissão acústica: Taxa aquisição = 5 kHz � 6300 pontos por furo;
• Sinal de corrente: Taxa aquisição = 5 kHz � 6300 pontos por furo.
Os sinais adquiridos pelos sensores foram enviados para uma placa de aquisição de
dados A/D da National Instruments, modelo NI cRIO-9002, que possui freqüência de
aquisição de 200 MHz, para posteriormente serem armazenados na memória do computador.
A Figura 48 ilustra o sistema.
62
Figura 48 - Representação esquemática da montagem do sistema.
Conforme apresenta a Figura 48, os sensores de vibração e emissão acústica foram
fixados no anel acoplado ao eixo arvore e enviam seus sinais para placa A/D. O sensor de
corrente foi acoplado ao cabo da corrente elétrica do motor de avanço e também envia seus
sinais para a placa A/D. Posteriormente, os três sinais foram enviados para o computador
onde foram visualizados pelo software LabVIEW.
Ferramenta
Eixo árvore
Sensor
corrente
Placa A/D
Computador
LabVIEW
Cabo corrente
elétrica do motor
Sensor
vibração
Sensor emissão
acústica
SENSORES FIXADOS NO
ANEL
63
3.10 METODOLOGIA
Em cada estado de desgaste da ferramenta (estado 1, 2 e 3) foram adquiridos os sinais
de vibração, emissão acústica e corrente de 10 furos para cada broca. Como foram utilizadas 5
ferramentas, em cada estado de desgaste tem-se os sinais de 50 furos monitorados (10 de cada
ferramenta).
A metodologia de aquisição dos sinais para uma broca está ilustrada na Figura 49.
Figura 49 - Representação esquemática da metodologia de aquisição dos sinais.
Para extrair informações dos sinais foram aplicados como filtros os parâmetros
estatísticos RMS, curtose, assimetria e fator de crista para cada furo monitorado (50 em cada
estado de desgaste) utilizando o software MATLAB 7.0. Os parâmetros estatísticos
selecionados foram citados por Kannatey-Asibu e Dornfeld (1986), El-Wadarny, Gao e
Elbestawi (1996), Dimla (2000), Jantunen (2005) e Li (2006) como métodos eficientes para
análise de sinais de ferramentas de corte no domínio do tempo.
CONDIÇÃO DE CORTE vc = 90 m/min
f = 0,25 mm/rot
ESTADO DE DESGASTE DA FERRAMENTA (VBBmax)
VBBmax = 0 mm
Estado 1
VBBmax = 0,2 a 0,3 mm
Estado 2
VBBmax = 0,4 a 0,7 mm
Estado 3
Medição VBBmax Medição VBBmax
AQUISIÇÃO DOS SINAIS DE 10 FUROS NO ESTADO 1
• Vibração • Emissão acústica • Corrente
AQUISIÇÃO DOS SINAIS DE 10 FUROS NO ESTADO 2
• Vibração • Emissão acústica • Corrente
AQUISIÇÃO DOS SINAIS DE 10 FUROS NO ESTADO 3
• Vibração • Emissão acústica • Corrente
5 brocas � 50 furos 5 brocas � 50 furos 5 brocas � 50 furos
64
Com os resultados da aplicação dos parâmetros estatísticos nos sinais, foi empregada
uma ferramenta estatística presente no software Minitab 5, o boxplot. Também conhecido
como diagrama em caixas, o boxplot condensa um grande número de informações referentes à
distribuição de um conjunto de dados e é recomendado para analisar dados que possam conter
valores discrepantes.
O boxplot é representado por um retângulo que é dividido no valor correspondente à
mediana (md), que avalia o centro de um conjunto de dados, deixando 50 % dos menores
valores de um lado e 50 % dos maiores valores do outro lado. O primeiro quartil ou quartil
inferior (qi) é o valor que delimita os 25 % dos menores valores. O terceiro quartil ou quartil
superior (qs) é o valor que separa os 25 % dos maiores valores (BARBETTA, REIS e
BORNIA, 2004).
O desvio interqualitico (dq = qs-qi) é utilizado como uma medida de dispersão. Quanto
mais dispersa a distribuição maior será o valor de dq. Caso existam valores discrepantes (além
de 1,5 dq), a linha é traçada até o último valor não discrepante e os valores discrepantes são
indicados por pontos. Eventuais pontos com discrepância além de 3 dq são indicados por
símbolos diferentes para serem bem destacados. A Figura 50 representa a construção de um
diagrama boxplot (BARBETTA, REIS e BORNIA, 2004).
Figura 50 - Construção de um diagrama boxplot
(BARBETTA, REIS e BORNIA, 2004).
Valor máximo
qs + 1,5dq
Quartil superior (qs)
Mediana (md)
Quartil inferior (qi)
Valor mínimo
.°
25 % dos valores
25 % dos valores
25 % dos valores
25 % dos valores
65
Além disso, também pode-se observar outras informações estatísticas no gráfico boxplot
(MEOLA, 2005):
• Quando existem grandes dispersões de valores nos resultados, a mediana é
recomendada para análise ao invés da média, pois a primeira é menos sensível a valores
extremos;
• Valores discrepantes estão normalmente associados a problemas na aquisição de
dados.
• A dispersão dos resultados pode ser avaliada pela diferença entre o comprimento do
quartil superior e inferior.
Aplicando esta ferramenta é possível visualizar o quanto cada parâmetro estatístico
varia quando comparado com outro estado de desgaste. Espera-se que os resultados de um
dado parâmetro estatístico, em um determinado estado de desgaste, sejam diferentes de um
conjunto de resultados de um mesmo parâmetro estatístico em um outro estado de desgaste.
Os sinais brutos de vibração e corrente também foram analisados utilizando o espectro
de frequência, através da FFT do software MATLAB 7.0, com objetivo de detectar mudanças
na frequência dos sinais causadas pelo desgaste da ferramenta, conforme comentado por
Elbestawi, Dumitrescu e Eu-Gene (2006). O sinal de EA não foi analisado no domínio da
frequência porque foi adquirido em RMS, o que elimina várias frequências presentes no sinal
bruto, conforme comenta Caldeirani Filho (1998).
Para os sinais de vibração e corrente foram plotados 5 espectros de frequência, um
para cada ferramenta, analisando os sinais correspondentes aos 10 furos monitorados em cada
estado de desgaste. As bandas consideradas mais sensíveis foram aquelas que apresentaram
maior distinção entre as curvas de desgaste do estado 1, 2 e 3, ou as menos sobrepostas
possíveis.
Após encontrar uma banda sensível ao desgaste, os parâmetros estatísticos RMS,
curtose, assimetria e fator de crista foram determinados novamente para os 50 furos de cada
estado de desgaste (10 de cada ferramenta), analisando sua sensibilidade ao desgaste com
gráficos boxplot.
66
Os sinais foram adquiridos, armazenados, tratados e analisados conforme a Figura 51.
Aquisição de sinais no processo de furação
• Sinal bruto de vibração (taxa aquisição de 50 kHz);
• Sinal RMS de emissão acústica (taxa aquisição de 5 kHz);
• Sinal bruto de corrente (taxa aquisição de 5 kHz);.
Tratamento do sinal no domínio do tempo
Extração dos parâmetros estatísticos dos sinais de
vibração, emissão acústica e corrente (50 furos
em cada estado de desgaste):
• RMS, curtose, assimetria e fator de crista.
Verificação da sensibilidade dos parâmetros
estatísticos
Análise dos gráficos boxplot, verificando a
variação dos resultados obtidos entre os estados
de desgaste 1,2 e 3.
Conclusão
Definição dos parâmetros estatísticos que
apresentaram maior sensibilidade ao estado de
desgaste da ferramenta para os sinais de vibração,
emissão acústica e corrente.
Conclusão
Definição dos parâmetros estatísticos que
apresentaram maior sensibilidade ao estado
de desgaste da ferramenta para os sinais de
vibração e corrente.
Figura 51 – Metodologia dos ensaios realizados.
Os valores de dureza dos lotes das peças usinadas nas quais foram adquiridos os
sinais e o número de peças usinadas em cada estado de desgaste foram registrados.
Tratamento dos sinais no domínio da frequência
Análise espectro de frequência dos sinais de vibração e corrente.
Verificação da sensibilidade dos parâmetros
estatísticos
Análise dos gráficos boxplot, verificando a
variação dos resultados obtidos entre os estados
de desgaste 1,2 e 3.
Tratamento dos sinais na banda de frequência
Extração dos parâmetros estatísticos dos sinais
(50 furos em cada estado de desgaste):
• RMS, curtose, assimetria e fator de crista.
67
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Este capítulo apresenta os resultados obtidos empregando-se a metodologia
descrita no capítulo 3.
4.1 RESULTADOS DE DESGASTE DAS FERRAMENTAS
A Tabela 3 apresenta as condições iniciais de batimento e o resultado da
inspeção da geometria das ferramentas.
Tabela 3 – Condição inicial de batimento das ferramentas.
Ferramenta Batimento Inspeção inicial
Broca 1 0,016 OK
Broca 2 0,017 OK
Broca 3 0,008 OK
Broca 4 0,009 OK
Broca 5 0,011 OK
A Figura 52 apresenta a condição da broca 1 durante a inspeção a inicial. A
mesma foi aprovada na inspeção.
a) b)
Figura 52 – Inspeção broca 1: a) Guia da ferramenta; b) Arestas de corte.
68
A Tabela 4 apresenta os valores de desgaste de flanco máximo das ferramentas
em cada estado de desgaste, no momento que foram adquiridos os sinais de vibração,
emissão acústica e corrente.
Tabela 4 – Condição de desgaste das ferramentas utilizadas.
Estado 1 Estado 2 Estado 3 Ferramenta
VBBmáx = 0 mm VBBmáx = 0,2 a 0,3 mm VBBmáx = 0,4 a 0,7 mm
Broca 1 - 0,23 0,42
Broca 2 - 0,25 0,51
Broca 3 - 0,20 0,47
Broca 4 - 0,27 0,62
Broca 5 - 0,30 0,52
A Figuras 53 apresenta a condição da broca 4 no estado 3.
Figura 53 – Broca 4: a) Vista de topo; b) Medição do desgaste de flanco máximo.
A Tabela 5 apresenta a dureza do lote das peças usinadas quando o estado de
desgaste 1, 2 e 3 estipulado foi atingido e os sinais dos sensores foram coletados. A
especificação de dureza do produto é de 215 a 265 HB.
b) a)
VBBmax = 0,62 mm
69
Tabela 5 – Dureza do lote das peças usinadas.
Estado 1 Estado 2 Estado 3 Ferramenta
Dureza (HB) Dureza (HB) Dureza (HB
Broca 1 222 222 227
Broca 2 226 222 226
Broca 3 227 227 222
Broca 4 226 226 223
Broca 5 223 223 226
Média 224,8 224 224,8
Desvio
padrão 2,17 2,35 2,17
A Tabela 6 apresenta o número de peças usinadas quando as ferramentas
atingiram o estado de desgaste 1, 2 e 3. As ferramentas usinaram em média 209 peças
quando o critério final de vida útil foi alcançado.
Tabela 6 – Números de peças usinadas
Estado 1 Estado 2 Estado 3 Ferramenta
Nº peças usinadas Nº peças usinadas Nº peças usinadas
Broca 1 1 100 197
Broca 2 1 103 217
Broca 3 1 103 217
Broca 4 1 100 217
Broca 5 1 88 197
Média 1 98,8 209
Desvio
padrão 0 6,22 10,95
A Tabela 7 apresenta os resultados das medições realizadas no último furo
usinado de cada broca (10º furo) em cada estado de desgaste, com o objetivo de
verificar a qualidade dos mesmos. Todos os furos estavam dentro do especificado.
70
Tabela 7 – Controle dimensional dos furos monitorados.
Estado 1 Estado 2 Estado 3
Ferramenta Profundidade
máx. 22 mm
Posicional
|0,5|
Profundidade
máx. 22 mm
Posicional
|0,5|
Profundidade
máx. 22 mm
Posicional
|0,5|
Broca 1 OK 0,033 OK 0,033 OK 0,092
Broca 2 OK 0,045 OK 0,052 OK 0,076
Broca 3 OK 0,060 OK 0,067 OK 0,020
Broca 4 OK 0,035 OK 0,023 OK 0,035
Broca 5 OK 0,021 OK 0,075 OK 0,101
4.2 RESULTADOS OBTIDOS COM SINAL DE VIBRAÇÃO
A Figura 54 apresenta o comportamento do sinal de vibração durante a usinagem
de um furo, que possui duração de 1,26 segundos.
a) b)
Figura 54 – Sinal de vibração no intervalo de 1,26 segundos da broca 1:
a) Ferramenta no estado 1; b) Ferramenta no estado 3.
71
Devido à taxa de aquisição de 50 kHz, não é possível visualizar as características
do sinal no intervalo de 1,26 segundos, sendo assim o sinal foi plotado no intervalo de
0,1 segundos, conforme ilustra a Figura 55.
a) b)
Figura 55 – Sinal de vibração no intervalo de 0,1 segundos da broca 1:
a) Ferramenta no estado 1; b) Ferramenta no estado 3.
É possível observar na Figura 55 que o número de picos no sinal aumentou com
o desgaste da ferramenta. Esta característica se repetiu nas 5 ferramentas utilizadas.
Segundo Dimla (2000), durante a usinagem primeiramente os sinais apresentam
pequenos impulsos e posteriormente progridem para a vibração propriamente dita,
devido ao crescimento do desgaste da ferramenta que aumenta valor das componentes
da força de corte e consequentemente aumenta o número de picos presentes no sinal.
A seguir são avaliados os parâmetros RMS, curtose, assimetria e fator de crista.
a) Parâmetro RMS: Figura 56 apresenta o resultado de RMS para o sinal de
vibração.
72
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�
�
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��������
�������� ��������
Figura 56 – Parâmetro RMS para o sinal de vibração.
O parâmetro RMS apresentou sobreposição dos quartis dos grupos que
representam os estágios de desgaste 1, 2 e 3. A mediana apresentou um distanciamento
entre os estados 1 e 2, sendo que no estado 3 revelou-se como um interessante critério
para a diferenciação dos demais estados desgaste.
A variação do sinal RMS com o desgaste da ferramenta indica que o mesmo
possui uma boa sensibilidade, pois consegue captar a energia do sistema proveniente da
variação do estado de desgaste da ferramenta. O valor do nível de tensão RMS
apresenta a quantidade de energia presente no sinal, indicando a severidade da vibração
(MITCHELL, 1993).
b) Parâmetro curtose: Figura 57 apresenta o resultado de curtose para o sinal de
vibração.
73
����������������������
�
�
�
�
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�������
������������ ��������
Figura 57 – Parâmetro curtose para o sinal de vibração.
O valor de curtose apresentou sobreposição entre os quartis dos grupos que
representam os estágios de desgaste 1 e 2. O estado 3 apresentou diferenciação quando
comparado com os demais estados. As medianas apresentaram um distanciamento em
todos os estados.
El-Wardany, Gao e Elbestawi (1996) comentam que o valor de curtose diminui
quando aumenta o número de picos no sinal. Portanto, a diminuição do parâmetro
curtose indica que o número de picos presentes no sinal de vibração aumentou com o
aumento do desgaste da ferramenta. O crescimento do número de picos à medida que
aumenta o desgaste da ferramenta pode estar relacionado com o fato do desgaste não ser
simétrico nas arestas de corte, aumentando o valor da vibração do sistema e
consequentemente o número de picos.
c) Parâmetro assimetria: Figura 58 apresenta o resultado de assimetria para o
sinal de vibração.
74
����������������������
�
��
�
� ��
��
��������
������������� ��������
Figura 58 – Parâmetro assimetria para o sinal de vibração.
Em todos os estados analisados existe sobreposição dos quartis. Os resultados de
assimetria ficaram próximos de zero, o que indica que os sinais dos estados 1, 2 e 3 se
comportaram como uma curva normal. Este parâmetro não se mostrou sensível com
variação do desgaste.
d) Parâmetro fator de crista: A Figura 59 apresenta o resultado do fator de crista
para o sinal de vibração.
����������������������
�
�
�
�
�
��������������
���������������� ��������
Figura 59 – Parâmetro fator de crista para o sinal de vibração.
75
Para o fator de crista, houve uma sobreposição dos quartis dos grupos que
representam os estados 1, 2 e 3. A mediana apresentou um bom distanciamento entre os
estados de desgaste. Conforme Cunha (2005), o aumento do fator de pico indica que
aumentou a presença de picos destacados no sinal, principalmente no final da vida da
ferramenta.
Os resultados dos parâmetros estatísticos RMS, curtose e fator de crista
analisados apresentaram sensibilidade ao desgaste VBBmax quando se analisa a mediana.
Analisando os quartis inferiores e superiores, ou os valores mínimo e máximo do
gráfico boxplot, observou-se que existe sensibilidade entre os estados 1 e 3 destes
parâmetros, porém não existe diferenciação com o estado 2, dificultando a definição do
estado intermediário de desgaste.
O parâmetro assimetria não apresentou sensibilidade com a variação do desgaste,
porém indica que os sinais adquiridos seguem uma curva normal que, segundo Macário
(2006), isto significa que não houve problemas ou ruídos durante a aquisição dos dados.
Os sinais de vibração também foram analisados no domínio da frequência.
Verificaram-se em quais bandas de frequência os sinais apresentam sensibilidade à
evolução do desgaste. As bandas consideradas mais sensíveis foram aquelas em que
existe maior distinção entre as curvas de desgaste, de fácil identificação e as menos
sobrepostas possíveis.
A Figura 60 apresenta os espectros de frequências das 5 brocas utilizadas, do
sinal de vibração. Os espectros estão dentro da faixa de frequências de 0 a 25 kHz.
76
a) Broca 1 b) Broca 2
c) Broca 3 d) Broca 4
e) Broca 5
Figura 60 – Espectro de frequências de 0 a 25 kHz:
77
Foram feitas aproximações dentro da faixa de frequência de 0 a 25 kHz para
facilitar a visualização das bandas consideradas mais sensíveis. A Figura 61 apresenta
detalhes dos espectros dentro da faixa de frequência de 4,5 a 9,0 kHz.
Figura 61 – Espectro de frequências na banda de 4,5 a 9,0kHz:
a) Broca 1 b) Broca 2
c) Broca 3 d) Broca 4
e) Broca 5
6,0 a 6,5 kHz 6,0 a 6,5 kHz
6,0 a 6,5 kHz 6,0 a 6,5 kHz
6,0 a 6,5 kHz
78
Percebe-se que nas 5 ferramentas analisadas, dentro da faixa de frequência de
6,0 a 6,5 kHz existe distinção entre as curvas de desgaste e as mesmas não estão
sobrepostas. Esta banda de frequência é próxima da encontrada por El-Wardany, Gao e
Elbestawi (1996) para o desgaste médio de flanco, onde concluíram que a frequência de
4,0 kHz é sensível ao desgaste analisando os sinais de vibração na direção radial do
processo de furação.
Com a definição da banda de frequência foi verificada a sensibilidade dos
parâmetros estatísticos RMS, curtose, assimetria e fator de crista na faixa de 6,0 a 6,5
kHz para os 50 furos de cada estado de desgaste (10 de cada ferramenta), e
posteriormente verificada a sensibilidade dos parâmetros com gráficos boxplot.
a) Parâmetro RMS: Figura 62 apresenta o resultado de RMS para o sinal de
vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz.
����������������������
�
�
�
�
�
��������
�������� ��������
Figura 62 – Parâmetro RMS para o sinal de vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz.
Para o parâmetro RMS não houve sobreposição dos quartis dos grupos que
representam os estados de desgaste. A mediana também apresentou um distanciamento
entre os estados 1, 2 e 3.
A variação do sinal RMS com o desgaste da ferramenta na banda de 6,0 a 6,5
kHz indica que sinal de vibração consegue diferenciar de maneira mais clara a energia
do sistema proveniente da variação do estado de desgaste intermediário da ferramenta,
79
melhorando a sensibilidade deste sinal quando comparado com a análise em todas as
faixas de frequência.
b) Parâmetro curtose: Figura 63 apresenta o resultado de curtose para o sinal de
vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz.
����������������������
�
�
�
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�
�
�������
������������ ��������
Figura 63 – Parâmetro curtose para o sinal de vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz.
O valor de curtose não apresentou sobreposição entre os quartis dos grupos que
representam os estágios de desgaste 1, 2 e 3. As medianas apresentaram uma variação
aproximadamente linear com o aumento do desgaste, melhorando os resultados
encontrados através da análise em todas as faixas de freqüência.
c) Parâmetro assimetria: Figura 64 apresenta o resultado de assimetria para o
sinal de vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz.
80
����������������������
� �
� �
�
� � �
� � �
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� �
��������
������������� ��������
Figura 64 – Parâmetro assimetria para o sinal de vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz.
Os resultados de assimetria ficaram mais próximos de zero, o que indica que os
sinais dos estados 1, 2 e 3 se comportaram como uma curva normal.
e) Parâmetro fator de crista: A Figura 65 apresenta o resultado do fator de crista
para o sinal de vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz.
����������������������
�
�
�
�
�
��������������
����������������� ��������
Figura 65 – Parâmetro fator de crista para o sinal de vibração na banda de 6,0 a 6,5 kHz.
81
Comparando os estados de desgaste 1, 2 e 3, houve sobreposição dos quartis,
porém a mediana apresentou sensibilidade entre os estados de desgaste.
Os resultados dos parâmetros estatísticos dentro da faixa de frequência de 6,0 a
6,5 kHz mostraram melhores resultados quando comparados com a análise em toda
faixa de frequência.
Analisando os resultados dos parâmetros estatísticos utilizados, o valores de
RMS e curtose apresentaram novamente sensibilidade aos estados de desgaste através
da análise das medianas e dos quartis. O fator de crista conseguiu diferenciar o estado
intermediário de desgaste da ferramenta através da mediana. Quando se analisa estes
parâmetros considerando os valores mínimo e máximo do gráfico boxplot dos estados
de desgaste 1, 2 e 3, ainda não existiu distinção total do estado 2 com os demais estados
de desgaste 1 e 3.
Os resultados de assimetria ficaram mais próximos de zero, indicando que os
sinais adquiridos seguem uma curva de distribuição normal.
Os resultados encontrados analisando os parâmetros RMS e curtose foram
similares aos apresentados por El-Wardany, Gao e Elbestawi (1996), onde os mesmos
mostraram sensibilidade com os estados de desgaste da ferramenta, devido ao aumento
do número e dos valores de pico no sinal de vibração.
As Tabelas 8 e 9 apresentam uma síntese dos resultados obtidos com os sinais de
vibração.
Tabela 8 – Resultados com sinais de vibração no domínio do tempo.
Parâmetro estatístico
Comportamento do parâmetro
Método análise Significado
RMS Aumentou entre os estados de desgaste
Mediana Aumentou a energia
do sinal
Curtose Diminuiu entre os
estados de desgaste Mediana
Aumentou o número de picos no sinal
Assimetria Não variou e ficou próximo de zero
Mediana e quartis
Não houve interferência de
ruídos
Fator de crista Aumentou entre os estados de desgaste
Mediana Aumentou o número de picos destacados
no sinal
82
Tabela 9 – Resultados com sinais de vibração no domínio da freqüência 6,0 a 6,5 kHz.
Parâmetro estatístico
Comportamento do parâmetro
Método análise Significado
RMS Aumentou entre os estados de desgaste
Mediana ou quartis
Aumentou a energia do sinal
Curtose Diminuiu entre os
estados de desgaste Mediana ou
quartis Aumentou o número
de picos no sinal
Assimetria Não variou e ficou próximo de zero
Mediana e quartis
Não houve interferência de
ruídos
Fator de crista Aumentou entre os estados de desgaste
Mediana Aumentou o número de picos destacados
no sinal
4.3 RESULTADOS OBTIDOS COM SINAL DE EMISSÃO ACÚSTICA
A Figura 66 mostra o comportamento do sinal de emissão acústica durante o
processo de furação no decorrer do tempo. O sinal foi plotado no intervalo de 0,20
segundos para permitir a visualização das características do mesmo, porém cada furação
possui duração de 1,26 segundos.
a) b)
Figura 66 – Sinal de EARMS no domínio do tempo da broca 1:
a) Ferramenta no estado 1; b) Ferramenta no estado 3.
83
Percebe-se a presença de picos de amplitude com o aumento do desgaste da
ferramenta. Esta característica se repetiu nas 5 ferramentas utilizadas. Dimla (2000)
comenta que a amplitude dos sinais de emissão acústica gerada durante o corte é menor
que a amplitude gerada quando ocorre um desgaste excessivo ou trincas na ferramenta.
Konig, Kutzner e Schehl (1992) também observaram a presença de picos de amplitude
apenas no final da vida útil da ferramenta, o que pode dificultar o acompanhamento do
estado intermediário de desgaste.
a) Parâmetro RMS: A Figura 67 apresenta o resultado de RMS para o sinal de
EARMS.
����������������������
���
����
���
����
���
��������
�������� ���
Figura 67 – Parâmetro RMS para o sinal de EARMS.
Os parâmetros RMS apresentaram sobreposição entre os quartis dos estados 1 e
2, porém no estado 3 os valores RMS apresentaram diferenciação em relação aos
demais. A mediana do estado 3 também apresentou distanciamento das demais.
Konig, Kutzner e Schehl (1992) explicam que o valor do sinal de EA aumenta
significativamente apenas no final da vida útil, pois o desgaste excessivo da ferramenta
aumenta a frequência de vibração do sinal.
b) Parâmetro curtose: A Figura 68 apresenta o resultado de curtose para o sinal
de EARMS.
84
����������������������
�
�
�
�
�������
������������ ���
Figura 68 – Parâmetro curtose para o sinal EARMS.
Os parâmetros de curtose apresentaram sobreposição entre os quartis 1 e 2 e
nenhuma sobreposição quando analisado o estado 3. As medianas do estado 1 e 2 são
praticamente iguais, porém têm um grande distanciamento para o estado 3. O
achatamento da distribuição aumenta no estado 3.
O valor de curtose obteve uma grande diferenciação no estado 3, indicando que
aumentou o número de picos no sinal EA, oriundos do desgaste excessivo da ferramenta.
c) Parâmetro assimetria: A Figura 69 apresenta o resultado de assimetria para o
sinal de EARMS.
85
����������������������
��
�
�
�
� �
��������
������������� ���
Figura 69 – Parâmetro assimetria para o sinal EARMS.
Os parâmetros de assimetria apresentaram sobreposição entre os quartis de todos
os estados de desgaste. Os resultados ficaram próximos de zero, o que indica que os
sinais dos estados 1, 2 e 3 se comportaram como uma curva normal.
d) Parâmetro fator de crista: A Figura 70 apresenta o resultado de fator de crista
para o sinal EARMS.
����������������������
���
��
��
���
���
���
��
��
���
���
��������������
���������������� ���
Figura 70 – Parâmetro fator de crista para o sinal EARMS.
86
Os valores de fator de crista mostraram sobreposição entre os quartis dos estados
1, 2 e 3. Existe um aumento deste parâmetro no estado 3, indicando a presença de picos
destacados no sinal.
Aplicando os parâmetros estatísticos no sinal de EARMS pode-se perceber que
existe sensibilidade dos parâmetros RMS e curtose apenas no final de vida da
ferramenta, através da análise das medianas e dos quartis. O parâmetro de fator de crista
também apresentou sensibilidade no final da vida da ferramenta, porém somente através
da mediana. Analisando estes parâmetros estatísticos considerando os valores mínimo e
máximo do gráfico boxplot, não existiu uma distinção total entre os estados de desgaste
1, 2 e 3.
Dimla (2000) comenta que a EA aumenta consideravelmente quando a
ferramenta está no final da vida, com desgaste elevado. Sendo assim, uma das principais
deficiências da aplicação da emissão acústica está na dificuldade da interpretação das
condições intermediárias de desgaste, porém possui grande sensibilidade para indicar o
final de vida e a eminência de quebra da ferramenta durante a usinagem.
A Tabela 10 apresenta uma síntese dos resultados obtidos com os sinais de
emissão acústica.
Tabela 10 – Resultados com sinais de emissão acústica no domínio do tempo.
Parâmetro estatístico
Comportamento do parâmetro
Método análise Significado
RMS Aumentou no estado 3 Mediana ou
quartis Aumentou energia
do sinal
Curtose Diminuiu no estado 3 Mediana ou
quartis Aumentou número de picos no sinal
Assimetria Não variou e ficou próximo de zero
Mediana e quartis
Não houve interferência de
ruídos
Fator de crista Aumentou no estado 3 Mediana Aumentou o número de picos destacados
no sinal
87
4.4 RESULTADOS OBTIDOS COM SINAL DE CORRENTE
A Figura 71 apresenta o comportamento do sinal de corrente durante o processo
de furação. Cada furação possui 1,26 segundos, porém o sinal foi plotado no intervalo
de 0,20 segundos para facilitar a visualização das características do mesmo.
a) b)
Figura 71 – Sinal de corrente no domínio do tempo da broca 1:
a) Ferramenta no estado 1; b) Ferramenta no estado 3.
Neste caso, existe um pequeno aumento da amplitude do sinal com o desgaste da
ferramenta. Esta característica se repetiu nas 5 ferramentas utilizadas. O aumento da
amplitude do sinal de corrente indica que existe um aumento da pressão de corte, que
consequentemente gera um aumento da potência consumida pelo motor do centro de
usinagem.
a) Parâmetro RMS: A Figura 72 apresenta o resultado de RMS para o sinal de
corrente.
88
����������������������
����
���
���
����
����
����
���
��������
�������� ���������
Figura 72 – Parâmetro RMS para o sinal de corrente.
Os parâmetros de RMS apresentaram sobreposição entre todos os quartis. As
medianas também apresentam um baixo distanciamento. Isto significa que o valor RMS
do sinal de corrente não possui sensibilidade com o desgaste.
b) Parâmetro curtose: A Figura 73 apresenta o resultado de curtose para o sinal
de corrente.
����������������������
��
���
��
���
��
���
��
��
�������
������������ ���������
Figura 73 – Parâmetro curtose para o sinal de corrente.
89
Os parâmetros de curtose apresentaram sobreposição entre os quartis de todos os
estados. As medianas também apresentaram um baixo distanciamento. Senso assim,
curtose não apresentou sensibilidade ao desgaste.
c) Parâmetro assimetria: A Figura 74 apresenta o resultado de assimetria para o
sinal de corrente.
����������������������
��
�
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�
� �
� �
� ��
� ��
��������
������������� ���������
Figura 74 – Parâmetro assimetria para o sinal de corrente.
Os parâmetros de assimetria mostraram sobreposição entre os quartis. As
medianas não apresentaram linearidade com o desgaste. Os resultados ficaram próximos
de zero, o que indica que os sinais adquiridos se comportaram como uma curva normal.
d) Parâmetro fator de crista: A Figura 75 apresenta o resultado de fator de crista
para o sinal de corrente.
90
����������������������
���
��
���
��
���
��
��������������
���������������� ���������
Figura 75 – Parâmetro fator de crista para o sinal de corrente.
Os parâmetros de fator de crista mostraram sobreposição entre os quartis de
todos estados de desgaste, indicando que não houve picos de amplitude no sinal de
corrente com o aumento do desgaste.
Os parâmetros utilizados para analisar o sinal de corrente não apresentaram
sensibilidade com o desgaste da ferramenta. Verificou-se que a broca utilizada no teste
(diâmetro 6,8mm) consome 16 % potência disponível na máquina (potência disponível
= 30 kW e potência consumida pela ferramenta = 5 kW). Sendo assim, não acontecem
grandes variações na corrente elétrica durante a usinagem, decorrentes do aumento do
desgaste da ferramenta.
Konig, Kutzner e Schehl (1992) utilizaram o sinal de corrente para monitorar o
desgaste e também não houve diferenciação da corrente com o aumento do desgaste. Os
autores concluíram que medições da corrente do motor não são suficientemente
sensíveis para monitorar o desgaste quando o processo consome uma pequena parte da
potência disponível pela máquina.
O sinal de corrente também foi analisado no domínio da frequência com o
objetivo de verificar a presença de uma banda de frequência sensível ao desgaste da
ferramenta. A Figura 76 apresenta os espectros de frequências das 5 brocas utilizadas,
dentro da faixa de frequências de 0 a 2,5 kHz.
91
a) Broca 1 b) Broca 2
c) Broca 3 d) Broca 4
e) Broca 5
Figura 76 – Espectro de frequências de 0 a 2,5 kHz:
92
Nos gráficos da Figura 76 não foram encontradas bandas sensíveis à evolução do
desgaste. As curvas de desgaste não apresentaram clara distinção em nenhuma faixa de
frequência e existe sobreposição das mesmas.
A baixa potência consumida da máquina durante a usinagem dos furos
monitorados não são suficientemente sensíveis para alterar o espectro de frequência
com o aumento do desgaste, portanto não foram empregados os parâmetros estatísticos
em uma banda de frequência.
A Tabela 11 apresenta uma síntese dos resultados obtidos com os sinais de
corrente.
Tabela 11 – Resultados com sinais de corrente no domínio do tempo.
Parâmetro estatístico
Comportamento do parâmetro
Método análise Significado
RMS Não houve variação significativa
- -
Curtose Não houve variação significativa
- -
Assimetria Não variou e ficou próximo de zero
Mediana e quartis
Não houve interferência de
ruídos Fator de crista Não houve variação
significativa - -
93
CONCLUSÕES
a) Sinal de vibração
• A análise do sinal de vibração no domínio do tempo mostrou que os valores
de RMS, curtose e fator de crista possuem sensibilidade com a evolução do desgaste
através da mediana.
• Analisando o espectro de frequência do sinal, existiu distinção entre as
curvas de desgaste dentro da banda de frequência de 6,0 a 6,5 kHz, principalmente dos
parâmetros RMS e curtose que, neste caso, conseguiram diferenciar os estados de
desgaste através da mediana e dos quartis.
• Quando os valores mínimo e máximo do gráfico boxplot foram analisados no
domínio do tempo e da frequência, não foi possível diferenciar totalmente o estado
intermediário de desgaste.
• Sendo assim, o sinal de vibração apresentou linearidade para indicar o estado
de desgaste e o final de vida da ferramenta.
b) Sinal de emissão acústica
• Aplicando os parâmetros estatísticos no sinal de EARMS no domínio do
tempo, foi observado que existe sensibilidade dos parâmetros RMS e curtose no final de
vida da ferramenta através da mediana e dos quartis foram analisados.
• Analisando os resultados através dos valores mínimo e máximo do gráfico
boxplot, não existiu uma distinção total entre os estados de desgaste.
• O sinal EARMS possui sensibilidade para indicar o final de vida ou a
eminência de quebra da ferramenta.
c) Sinal de corrente
• Os parâmetros estatísticos utilizados para analisar o sinal de corrente não
apresentaram sensibilidade com o desgaste da ferramenta no domínio do tempo e da
frequência. Verificou-se que as brocas utilizadas no teste consomem 16 % da potência
disponível na máquina, portanto não acontecem grandes variações na corrente elétrica
do motor e consequentemente não varia os sinais de corrente.
94
• O sinal de corrente não apresenta sensibilidade à evolução do desgaste de
para as condições de usinagem aplicadas neste estudo.
d) Sistema de monitoramento
• Com a instalação de um sistema de monitoramento do desgaste da
ferramenta, também pode ser detectada outras falhas durante a usinagem, como por
exemplo, problemas na refrigeração e folgas nas guias e rolamentos da máquina-
ferramenta. Estas falhas proporcionam vibrações que comprometem uma condição de
usinagem ótima e o sistema pode emitir uma mensagem para o operador.
• A implantação de um sistema de monitoramento deve aumentar a vida útil
da ferramenta, reduzindo os custos de fabricação da peça. Além disso, deve-se
considerar como redução de custo a prevenção da quebra da ferramenta, que evita
retrabalhos e paradas de máquina.
• Com o acesso em tempo real das informações do processo, o sistema pode
apresentar informações referentes aos tempos de ciclo por ferramenta, número de peças
produzidas, eficiência da operação e taxa de produtividade.
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SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
• Expandir este trabalho analisando os sinais dos sensores em outras operações
de usinagem, como fresamento, rosqueamento e mandrilhamento.
• Verificar a aplicação do sinal de corrente no acompanhamento de desgaste
de ferramenta em operações que consomem uma maior energia durante o processo,
como por exemplo furação profunda e fresamento.
• Empregar um software de inteligência artificial utilizando os sinais dos
sensores vibração, emissão acústica e corrente simultaneamente em um sistema de
monitoramento.
• Estudar a viabilidade econômica da instalação de um sistema de
monitoramento, visando aumentar a vida útil e eliminando quebras de ferramentas.
96
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