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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.18.2019.tde-20122018-142340
Documento
Autor
Nome completo
Adriel Magalhães Souza
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2018
Orientador
Banca examinadora
Silva, Eraldo Jannone da (Presidente)
França, Thiago Valle
Hassui, Amauri
Título em português
Retificação de superligas com rebolos de alto rendimento: avaliação de desempenho do processo
Palavras-chave em português
Capacidade de retificação
cBN
Desempenho do rebolo
Indicadores de sustentabilidade
Materiais de difícil retificação
Rebolo convencional modificado
Superligas
Resumo em português
Superligas são materiais utilizados nas indústrias aeronáuticas, nucleares, metal-mecânicas, petroquímicas, automotivas e biomédicas, sendo considerados de difícil retificação (Difficult To Grind - DTG), devido às suas características peculiares. Para a retificação eficiente destes materiais, frequentemente utiliza-se rebolos superabrasivos com grãos de cBN (cubic boron nitride) e ligante vitrificado, devido a seu desempenho superior, quando comparado aos rebolos convencionais. Entretanto, é necessária a utilização de periféricos e sistemas auxiliares eficientes, elevando-se, assim, os custos. Visando a redução dos custos operacionais, os rebolos convencionais com grãos cerâmicos e ligantes com alta capacidade de retenção surgem como uma alternativa promissora. Neste cenário de comparação ferramental, torna-se necessário mensurar o desempenho das mesmas, que incluem requisitos técnicos e indicadores de sustentabilidade do processo. Assim, o objetivo desta dissertação é avaliar um rebolo convencional modificado tecnologicamente (grão cerâmico e ligante de alto desempenho), comparando-o com um rebolo de cBN vitrificado, buscando-se mensurar as diferenças de desempenho e critérios de sustentabilidade (econômicos, ambientais e sociais) do processo, quando da retificação de superligas, com diferentes graus de usinabilidade. A metodologia de análise comparativa do desempenho dos rebolos deu-se pela avaliação da influência de parâmetros de entrada (velocidade de corte, material e taxa específica de remoção utilizada) nas variáveis de saída, a serem monitoradas, relativas ao processo (potência; energia específica; desgaste - relação G e força tangencial por grão-; superfície do rebolo; e cavacos), à qualidade final da peça (rugosidade, circularidade e análise superficial - topografia, microestrutura e microdureza) e custos associados ao processo, além dos indicadores de sustentabilidade. Como resultados, em relação ao impacto da velocidade de corte, demonstrou-se que seu aumento é benéfico ao processo, devido à diminuição da espessura de corte e menores forças por grão, acarretando em menores desgastes do rebolo (maior relação G) e melhor qualidade superficial da peça retificada. Tal resultado é inversamente proporcional à taxa de remoção. No tocante aos materiais, comprovou-se que as superligas analisadas possuem diferentes capacidades de retificação, devido às diferentes microestruturas e propriedades químico-mecânicas, que impactam no desempenho da ferramenta abrasiva. O material Inc.751 apresentou a pior capacidade de retificação dentre os materiais analisados, devido, principalmente, à sua matriz austenítica e presença de Alumínio e Titânio na composição química. Pela análise dos cavacos, comprovou-se que os mesmos possuem formatos alongados, típico de materiais dúcteis e ratificou-se a eficiência da refrigeração na região de contato rebolo/peça. Com a curva característica dos rebolos, verificou-se que as ferramentas possuem comportamentos distintos, com superioridade ao rebolo de cBN, devido à maior capacidade de retenção dos grãos pelo ligante. Pela verificação superficial dos rebolos, não se observou empastamento evidente, constatando a eficiência do sistema de limpeza de alta pressão. Pela análise topográfica das peças, verificou-se que a retificação não induziu danos térmicos às mesmas. A avaliação dos indicadores de sustentabilidade proporcionou uma melhor análise da eficiência do processo, facilitando na tomada de decisão quanto ao desempenho do rebolo e/ou condição ideal. Como conclusão, a aplicabilidade do rebolo convencional em substituição ao rebolo de cBN foi confirmada para a retificação das superligas testadas.
Título em inglês
Grinding of superalloys with high performance grinding wheels: process performance evaluation
Palavras-chave em inglês
cBN
Difficult to grind (DTG) materials
Engineered conventional grinding wheel
Grindability
Superalloys
Sustainability indicators
Wheel performance
Resumo em inglês
Superalloys are materials used in aeronautical, nuclear, metal-mechanical, petrochemical, automotive, and biomedical industries, and they are considered Difficult To Grind (DTG) due to their peculiar characteristics. For efficient grinding of these materials, superabrasive grinding wheels with cBN (cubic boron nitride) grains and vitrified bond are often used because of their superior performance when compared to conventional grinding wheels. However, it is necessary to use efficient peripheral and auxiliary systems, thus raising costs. Aiming to reduce costs, conventional wheels with ceramic grains and binders with high retention capacity appear as a promising alternative. In this tool comparison scenario, it is necessary to measure their performance, which includes technical requirements and process sustainability indicators. Thus, the objective is to evaluate a engineered conventional grinding wheel, comparing it with a vitrified cBN wheel, aiming to measure performance differences and sustainability criteria (economic, environmental, and social) of the process, when grinding superalloys with different degrees of grindability. The methodology of comparative analysis of the performance of the grinding wheels was based on the evaluation of the influence of input parameters (cutting speed, material, and specific removal rate) in the output variables to be monitored related to the process (power, specific energy, roughness - ratio G and tangential force per grain, Ft1g, grinding wheel surface, and chips), to the final quality of the piece (roughness, roundness, and surface analysis - topography, microstructure, and microhardness) and costs, in addition to the sustainability indicators. As results, in relation to the impact of the cutting speed, it was demonstrated that its increase is beneficial to the process, due to the reduction of the cutting thickness and lower Ft1g, causing less wheel wear and better surface quality of the ground piece. This result is inversely proportional to the removal rate. Regarding the materials, it was verified that the analyzed superalloys have different grinding capacities due to the different microstructures and chemical-mechanical properties that impact the performance of the abrasive tool. The material Inc.751 presented the worst grinding capacity among the analyzed materials, mainly due to its austenitic matrix and the presence of Aluminum-Titanium in its composition. By the analysis of the chips, it was verified that they have elongated formats, typical of ductile materials, and it was ratified the efficiency of the cooling system. With the wheel characteristic curves, it was verified that the tools have different behaviors, superior to the cBN wheel, due to the greater capacity of retention of the grains by the binder. Through the investigation of the grinding wheels, no evident wheel loading was observed, noting the efficiency of the high-pressure cleaning system. By the analysis of the pieces, it was verified that the grinding did not induce thermal damages to them. The evaluation of the sustainability indicators provided a better analysis of the efficiency of the process, making easier the decision-making on the performance of the grinding wheel and/or ideal condition. Concluding, the feasibility of the conventional wheel in substitution of the cBN wheel was confirmed for the grinding of the tested superalloys.
 
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Data de Publicação
2019-01-07
 
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