A contribution to the monitoring of ceramic surface quality using a low-cost piezoelectric transducer in the grinding operation

The grinding process is usually one of the last stages in the manufacturing process chain since it can provide superior surface finish and closer dimensional tolerances. However, due to peculiarities of the grinding process, a workpiece material is susceptible to many problems, and demands a reliable real-time monitoring system. Some grinding monitoring systems have been proposed by means of sensors. However, the literature is still scarce in terms of employing time–frequency analysis techniques during the grinding of ceramics. Thus, this paper proposes an application of a low-cost piezoelectric transducer (PZT) in the analysis of the surface quality of ceramic workpieces during the grinding process by means of the frequency–time domain technique along with the ratio of power (ROP) parameter. An integrated, high-cost, commonly-used acoustic emission (AE) sensor was employed in order to compare the results with the low-cost PZT transducer. Tests were performed using a surface grinding machine. Three depth of cut values were selected in order to represent slight, moderate, and severe grinding conditions. Signals were collected at 2 MHz. The short-time Fourier transform (STFT) was studied in order to obtain the frequency variations over time. An analysis of the ROP values was performed in order to establish a correlation with the surface roughness. The ROP values are highly desirable for setting a threshold to detect the workpiece surface quality and for implementing it into a monitoring system. The results using the PZT transducer showed a great similarity to those obtained using the AE sensor

Análise de Sinais de Emissao Acústica e Estatística Counts na Detecção da Alteração Microestrutural na Retificação de Aço 1045

Grinding is a high-precision, high-value-added finishing process as it is usually the last stage of the manufacturing chain. However, unsatisfactory results may occur, mainly due to changes in the microstructure of the ground workpiece. Such changes are caused by the high temperatures involved in the process due to the grinding conditions in which the part was subjected. In this way, the main objective of this work is the monitoring of the grinding process in order to detect changes in the signal and to relate them with damage occurred in the ground workpiece. The tests were carried out on a surface grinding machine, aluminum oxide grinding wheel and ABNT 1045 steel parts. Metallography was performed on the parts for a more further analysis of their microstructure. The recording of signals was obtained at a sample rate of 2 MHz through an acoustic emission sensor (AE). A frequency study for the selection of the best frequency bands that characterize damage occurred in the ground workpiece. The event counts statistic was applied to the filtered signal in the chosen frequency bands. The results of this work show that the grinding conditions influence the signal and, therefore, its frequency spectrum.Keywords: Manufacturing process; automation, monitoring; grinding process; acoustic emission, damage detectio

Análise da qualidade superficial e da microdureza de aço inoxidável martensítico após a retificação / Analysis of surface quality and microhardness of martensitic stainless steel after grinding

Aços inoxidáveis são materiais com elevada resistência à corrosão que são empregados em vários setores, como metal mecânica, automobilístico, petroquímico e aeroespacial, como também no setor de cutelaria. E para este último setor, os mais empregados são os aços inoxidáveis martensíticos. Entretanto, estes possuem uma pobre usinabilidade e, mais especificamente, pobre retificabilidade com rebolos abrasivos convencionais em relação aos aços endurecidos. Nesse sentido, este trabalho visa analisar o acabamento da superfície (em termos de rugosidade) e a microdureza do aço inoxidável martensítico VP420 após a retificação com rebolo abrasivo convencional de óxido de alumínio branco. Como parâmetros de corte foi variada a penetração de trabalho (10 µm e 25 µm). As velocidades de corte e da peça foram mantidas constantes em 37 m/s e 10 m/min, respectivamente. Como resultados, observou-se que o acabamento piorou com o aumento de ambos Ra e Rz, como também se constatou maior variação na faixa de microdureza abaixo da superfície retificada ao empregar a maior penetração de trabalho.

Contribuição ao Processo de Afiação de Ferramentas Monocortantes de Aço Rápido

Apesar do grande desenvolvimento de ferramentas com insertos de metal duro, material cerâmico e outros nas últimas três décadas, algumas das ferramentas de corte ainda necessitam ser reafiadas após a perda do corte por meio do processo de afiação com rebolos abrasivos. A afiação tem como objetivo gerar as arestas de corte de ferramentas novas ou restabelecer as arestas de corte de ferramentas desgastadas e, para que este processo seja eficiente, ela dependerá da seleção correta dos parâmetros de corte, da máquina ferramenta e habilidade do operador. Se neste processo um parâmetro de corte não for corretamente selecionado a geome-tria poderá ser comprometida e, no pior dos casos, a peça poderá sofrer queima. A queima leva, na maioria dos casos, à perda da dureza da ferramenta, propriedade essencial para que a ferramenta consiga resistir aos esforços durante a usinagem como, por exemplo, quando uma ferramenta monocortante de aço rápido é em-pregada no processo de torneamento cilíndrico de aços ao carbono. A fim de estudar o processo de afiação deste tipo de ferramenta, esta pesquisa aborda o procedimento de afiação com quatro diferentes valores de profundidade de corte, considerado um dos principais parâmetros que afeta a qualidade da geometria gerada. Utilizou-se um rebolo do tipo copo reto de óxido de alumínio branco, típico para esta operação. O material da peça foi o aço rápido (HSS) com dureza de 62 À 2 HRC. As variáveis de saída foram os ângulos de saída, de posição principal e de posição secundário, que foram medidos com o auxílio de um projetor de perfil e um transferidor universal (apenas para o ângulo de saída). Além disso, a incerteza de medição foi calculada para caracterizar a dispersão dos valores atribuídos a cada ângulo medido. Os resultados mostraram que houve variação nas medidas dos ângulos em função da penetração de trabalho, como esperado, e que a maior exati-dão dos ângulos gerados foi obtida após a profundidade de corte igual a 0,06 mm. Não houve formação de rebarba e nem a presença de queima das superfícies usinadas

Performance of different cutting tool materials in finish turning of Ti-6Al-4V alloy with high pressure coolant supply

This study investigated the machinability of Ti-6Al-4V alloy with newly developed cutting tools such as uncoated (T1 and T3) and coated (T2 and T4) cemented carbides, Polycrystalline Diamond (PCD) T5 and T6 inserts, Cubic Boron Nitride (CBN) T7,T8,T9 inserts, SiC Whiskers Reinforced Ceramic (T10) insert, and Al2O3 base (T11) and Si3N4 base nano-grain size ceramic (T12) inserts using various cooling environments such as high pressure coolant supplies at pressures of 7 MPa, 11 MPa and 20.3 MPa, argon enriched environment and conventional coolant flow at high speed machining conditions typical of finish turning operation. Tool life and failure modes, wear mechanisms, component forces generated, surface integrity, surface finish and chip form data were used to assess the performance of the different cutting tools and cooling environments investigated. PCD and carbide inserts gave the best performance, in terms of tool life, when machining Ti-6Al-4V alloy. In general coarser (T1 and T4) grain size carbides and PCD (T5) inserts gave the best overall performance in terms of lower wear rate hence longer tool life compared to finer grain (T2,T3 and T6) grades. Encouraging tool life can be achieved when machining with high pressure coolant supply relative to conventional coolant flow and in the presence of argon. Tool lives generally increased with increasing coolant pressure due to the ability of the high coolant pressure to reduce the tool-chip contact length/area and to lift the chip, thereby providing adequate lubrication at the tool-chip interface with consequent reduction in friction. Machining with T1, T4 and T10 inserts in presence of argon was only able to prevent chip ignition with no improvement in tool life, due probably to the suppression of the cooling and/or lubrication characteristics of argon gas when machining at cutting conditions investigated. Up to 8 fold improvement in tool life were achieved when machining with PCD inserts relative to carbide inserts under conventional coolant flow. All the grades of CBN inserts gave poor performance during machining due to accelerated nose wear and, in some cases, severe chipping of the cutting edge associated with a relatively high diffusion wear rate that tends to weaken the bond strength of the tool substrate. An increase in the CBN content tends to accelerate notch wear rate, consequently diminishing tool life under the cutting conditions investigated. Micron and nano-grain size ceramics did not demonstrate satisfactory performance in terms of tool wear rate and tool life, due to severe abrasive wear and chipping of the cutting edge, hence the poor machined surfaces generated. Nose wear was the dominating tool failure mode when machining with carbide, PCD and CBN (T7) inserts due to a reduction in tool-chip and tool-workpiece contact lengths and the consequent increase in both normal and shear stresses and temperature at the tool tip, while severe notching and chipping occurred when machining with CBN (T8 and T9) and micron grain size ceramics. Severe notching also occurred when machining with nano-grain ceramic inserts, often leading to catastrophic tool failure at speeds in excess of 110 m min-1. Machining with PCD tools gave lower cutting forces than carbides inserts. Surface roughness values generated with carbides, PCD and CBN inserts were generally within the 1.6 μm rejection criterion for finish machining and above 2 μm when machining with all grades of ceramics employed. Micrographs of the machined surfaces show that micro-pits are the main damage to the machined surfaces. Microhardness of the machined surfaces when machining with carbides varied randomly around the hardness values of the workpiece material prior to machining. Machining with PCD tools generally led to softening of machined surfaces. Increase in cutting speed generally led to increased hardness when machining with the larger grain size PCD (T5) tool using conventional coolant flow and with coolant pressures up to 11 MPa. No evidence of plastic deformation was observed on the machined surfaces and the surface integrity of the finish machined surfaces is generally in agreement with Rolls Royce CME 5043 specification.Doutor em Engenharia MecânicaEste estudo visa avaliar a usinabilidade da liga de titânio Ti-6Al-4V utilizando várias classes de diferentes materiais de ferramentas de corte tais como metal duro sem revestimento (insertos T1 e T3) e com revestimento (insertos T2 e T4), PCD insertos: T5 e T6, CBN insertos: T7,T8 e T9, cerâmicas Whiskers (inserto T10), e nano-cerâmicas à base de alumina (inserto T11) e à base de nitreto de silício (inserto T12) em diferentes atmosferas de usinagem (fluido de corte aplicado a altas pressões (HPC) de 7 MPa; 11 MPa and 20,3 MPa, argônio e aplicação de fluido de corte convencional) e em elevadas condições de corte típicas de acabamento (velocidade de corte de 100 m min-1 a 500 m min-1, com avanço de 0,15 mm volta-1 e profundidade de corte de 0,5 mm constantes). Foram monitorados a vida das ferramentas bem como os mecanismos e tipos de desgaste, as forças de usinagem, a integridade superficial, a rugosidade das superfícies usinadas, a circularidade e os tipos e classes de cavacos produzidos. Os resultados foram utilizados para avaliar a eficiência das diferentes ferramentas de corte e atmosferas de usinagem empregadas na usinagem da liga Ti-6Al-4V. Os resultados mostraram que as ferramentas de PCD e metal duro tiveram o melhor desempenho, em termos de vida de ferramenta, que as demais ferramentas testadas. Em geral, as ferramentas com tamanho de grãos maior, metal duro (T1 e T4) e PCD (T5), apresentaram o melhor desempenho, em termos baixa taxa de desgaste e, consequentemente, vida mais longa, comparada com as ferramentas com tamanho de grãos menores (classes T2,T3 e T6). A utilização da técnica HPC mostrou ser eficiente na usinagem da liga Ti-6Al-4V, em termos de aumento de vida da ferramenta e, consequentemente, de aumento de produtividade, em relação à técnica de aplicação de fluido de corte convencional e com utilização de argônio nas condições investigadas. Em geral, a vida das ferramentas aumentaram com o aumento da pressão de aplicação de fluido de corte devido à sua capacidade de reduzir a área de contato cavaco-ferramenta e de quebrar o cavaco mais eficientemente e, portanto, propiciando uma melhor condição de lubrificação na interface cavaco-ferramenta com conseqüente redução de atrito. A utilização do argônio na usinagem com as ferramentas T1, T4 e T10 nas condições investigadas apenas evitou com que o centelhamento e ignição do titânio ocorresse, além de não propiciar aumento de vida da ferramenta, provavelmente devido à supressão das características de refrigeração e lubrificação que o argônio tem. As ferramentas de PCD apresentaram uma vida cerca de 8 vezes maior que as ferramentas de metal duro quando empregadas com aplicação de fluido de corte convencional. Todas as classes de ferramentas de CBN, em geral, apresentaram baixo desempenho em termos de vida de ferramenta devido ao acelerado desgaste na ponta da ferramenta e, em certos casos, lascamentos da aresta de corte que estão associados com a relativa alta taxa de difusão que ocorre durante a usinagem com titânio, que tende a diminuir a forças de ligações entre os átomos do substrato. Todas as ferramentas de cerâmicas testadas não demonstraram desempenho satisfatório em termos de desgaste e de vida ferramenta durante a usinagem da liga Ti-6Al-4V por causa da ocorrência de desgaste abrasivo e de lascamento da aresta de corte, como também da produção de superfícies usinadas com pobre acabamento superficial. O desgaste de ponta foi o tipo de desgaste predominante durante a usinagem com as ferramentas de metal duro, PCD e CBN (T7) devido à redução da área de contato cavaco-ferramenta e, consequentemente, ao aumento das tensões atuantes e aumento da temperatura na ponta da ferramenta. Já o desgaste de entalhe e lascamento ocorreram durante a usinagem com as ferramentas de CBN (T8 and T9) e com cerâmicas convencionais. O desgaste de entalhe também ocorreu de forma mais acentuada nas ferramentas de nano-cerâmicas, o que levou à falha catastrófica de tais ferramentas quando empregadas em velocidades de corte superiores a 110 m min-1. A usinagem com ferramentas de PCD geraram baixas forças de corte em relação às ferramentas de metal duro. Os valores de rugosidade superficial produzidos com as ferramentas de metal duro, PCD e CBN em geral ficaram abaixo do valor estipulado para critério de rejeição para torneamento de acabamento de 1.6 μm, enquanto que todas as ferramentas de cerâmicas produziram valores de rugosidade acima de 2 μm. A análise metalográfica das superfícies usinadas permitiu identificar pequenas marcas que não comprometeram as superfícies produzidas. A usinagem com ferramentas de metal duro produziu valores de dureza que variam aleatoriamente dentro dos limites inferior e superior de dureza da peça medidos antes da usinagem. Nenhuma evidência de deformação plástica nas superficies de titânio usinadas com todas as ferramentas e condições testadas. Em geral, a integridade superficial das superficies usinadas atendem à norma Rolls Royce CME 5043

Influence of grinding parameters on inconel 625 surface grinding

Nickel-based alloys have been increasingly employed due to their ability to maintain high mechanical strength and high chemical inertia at high temperatures. However, these outstanding properties can impair their machinability, so they are termed difficult-to-machine materials. Since machining of nickel alloys becomes even more difficult when the grinding process is needed, and because of poor thermal conductivity of both workpiece and the abrasive grinding wheel, more attention from machinists is required to determine proper grinding parameters that should be more moderate than those usually selected for grinding hardened steels. Because of the peculiar properties of Inconel 625 alloy, such as resistance to aqueous solutions, hot corrosion, high strength and resistance to creep, it makes it well suited for a wide range of applications, such as aerospace and marine applications as well as oil and gas industries. The grinding operation is generally the first option to enhance the combinations of narrow dimensional and geometric deviations in most of aeronautical components. In this context and motivated by the lack of information about grindability of this alloy, this work evaluates the influence of the several grinding parameters on surface integrity, grinding forces (Ft and Fn) and specific grinding energy of nickel-based, Inconel 625 alloy. A fractional factorial design of experiments (DOE) was adopted to use the wheel speed, work speed, depth of cut, abrasive mesh and grinding direction (up and down grinding) as measures of variation in the grinding process. Surface integrity was assessed in terms of surface roughness (Ra and Rz), observations of SEM images and microhardness. The results showed that Inconel 625 is highly susceptible to work hardening during grinding. The grinding wheel speed (vs) was the parameter of greatest effect and the best results were obtained when vs=15 m/s55174185CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQCOORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPES141472/2017-0001x superalloysInconel 625Grinding parametersGrinding forcesThe authors thank the Post Graduate Program of Mechanical Engineering of UFUand the Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) for financial support to this study (process number 141472/2017-0). This study was also financed in part by the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Finance Code 001. The authors thank the Saint-Gobain Abrasives and Villares Metals S.A. by supplying the tools and material used in this work, respectively. The authors also would like to acknowledgements the Multiuser Laboratory of Chemistry Institute at the Universidade Federal de Uberlandia for providing the equipment and technical support for experiments involving the electron microscopic studie

Retificação cilíndrica do aço VP50 utilizando o rebolo de carbeto de silício verde com a técnica de MQL

RESUMO A retificação é um processo de alta geração de calor, portanto, com seu uso em larga escala, a pesquisa e desenvolvimento de novas técnicas de lubri-refrigeração se fazem necessários, visando respeitar as leis ambientais, preservar a saúde do operador e reduzir custos de produção. Deve-se, então, buscar soluções que mantenham os mesmos parâmetros de qualidade, acabamento e os mesmos efeitos tecnológicos. Um dos métodos propostos para este fim é o MQL (mínima quantidade de lubrificação), que utiliza uma mistura de ar com baixo fluxo de óleo a elevada pressão. O aço a ser utilizado como corpo de prova foi VP 50, muito usado na indústria em moldes para injeção de termoplásticos. O rebolo utilizado foi o de carbeto de silício verde, com ligante vitrificado. Apresentam boas características térmicas, estabilidade química elevada na retificação ferros fundidos, materiais não ferrosos e não metálicos. A análise dos resultados foi feita através avaliação das variáveis de saída do processo, tais como rugosidade, emissão acústica, circularidade, microscopia óptica (para verificação de dano térmico) e microdureza. Dentre os resultados evidenciados, a técnica MQL demonstrou ser superior ao método convencional apenas nos parâmetros de circularidade e desgaste diametral do rebolo, sendo que não houve alteração microestrutural em ambos os métodos de lubrificação

Application viability evaluation of the Minimum Quantity Lubrication coolant technique under different flow rates in Plunge Cylindrical Grinding of the ABNT 4340 steel with aluminum oxide wheel

Abstract The coolant delivery technique known as Minimal Quantity Lubrication (MQL) has been employed in machining since the end of the 20th Century and has gained considerable evidence in the last years as a viable alternative to the use of the conventional coolant technique (flood). Due to the low oil flow rate delivered by the MQL technique in grinding operations, that generally varies from 20 to 240 ml / h in relation to near 600,000 ml / h flow rate of the conventional coolant technique, the MQL technique provides a reduced risk for human health and environmental damage associated with the use, maintenance and disposal of cutting fluids. In this context, this study was carried out to evaluate the application viability of the minimum quantity lubrication coolant technique under different flow rates in the plunge cylindrical grinding of ABNT 4340 steel with an aluminum oxide wheel. Three flow rates were tested: 30, 60 and 120 ml/h. Grinding trials with the conventional coolant delivery method were also tested for comparative purposes. The output variables used to assess the efficiency of the MQL technique in this work are: roughness, roundness and hardness of the workpiece. Grinding wheel wear and power consumption were also monitored. The results showed that, despite the higher values of roughness and roundness of the workpiece, as well as the grinding wheel wear, the values of these same parameters obtained after machining with the MQL technique were close to those obtained after machining with the conventional technique. No thermal damages and cracks on the machined surface, or even below the machined surface, were observed after grinding ABNT 4340 steel irrespective of the coolant-lubrication condition investigated. The results showed that the MQL with 120 ml/h can be an alternative coolant technique due to cleaner environment and lower consumption of fluid in grinding under the conditions investigated in this work