Grinding wheel characterization by X-ray tomography for grinding cycle optimization

Abstract

A redução dos tempos de ciclo na retificação cilíndrica periférica de mergulho influencia a qualidade do produto manufaturado. De modo a obter um componente livre de alterações deletérias ao seu rendimento e tempo de vida, é de prática comum na indústria reduzir a taxa de retificação específica, aumentando o tempo de processo. Desta forma, torna-se oportuno empregar ciclos de retificação com sequências otimizadas de desbaste até acabamento, baseadas no conhecimento da profundidade das modificações na subsuperfície retificada, evitando assim alteração de propriedades mecânicas do componente final e obtendo tempo de processo reduzido. Rebolos com abrasivos de óxido de alumínio microcristalino garantem excelente resistência ao desgaste e versatilidade no dressamento da ferramenta, entretanto com efeitos na subsuperfície ainda não completamente entendidos. Este trabalho mostra que para obter ciclos mais sustentáveis de retificação cilíndrica externa de mergulho de múltiplos estágios, utilizando como ferramenta rebolos vitrificados convencionais, é de fundamental importância conhecer as características reais dos rebolos. Corpos de prova anelares em aço AISI 1040 (temperados e revenidos), foram retificados com rebolos com diferentes concentrações de óxido de alumínio microcristalino (de 0 % até 45%), empregando taxas de retificação específica de desbaste e acabamento. Os critérios de avaliação foram a força de retificação e a integridade da superfície. Os resultados alimentam uma base de dados e auxiliam na determinação de ciclos com tempo de retificação otimizados, restringidos pela espessura das alterações na camada limite e pela rugosidade do componente. A tomografia de raios-X revelou que os rebolos fornecidos sem e com a menor concentração de óxido de alumínio microcristalino apresentam percentuais de ligante maiores que os rebolos com as maiores concentrações de óxido de alumínio microcristalino. A avaliação dos resultados das componentes de força, rugosidade e camada limite afetada, considerando a fração volumétrica de abrasivos, ligantes e poros, permitiu uma avaliação consistente dos resultados. A otimização dos ciclos de desbaste, restrita pela integridade de superfície a ser removido no acabamento, permite reduzir os tempos de retificação com o emprego de ciclos de retificação de múltiplos incrementos, entretanto que ainda exige dados experimentais mais abrangentes para tornar os resultados mais consistentes. Conclui-se também que a substituição de rebolos convencionais por rebolos contendo óxido de alumínio microcristalino deve considerar o conhecimento da composição e da estrutura dos rebolos para permitir previsões adequadas da influência desta sobre a camada limite afetada.

Abstract: Cycle time reduction in cylindrical peripheral plunge grinding influences on the quality of the manufactured product. In order to obtain a component free of deleterious modifications to its performance and lifespan, it is a common practice in the industry to reduce the specific material removal rate which increases the process time. Thus, it becomes opportune to employ grinding cycles, with optimized roughing to finishing sequences, based on the knowledge of the damage depth on the ground subsurface during roughing, avoiding mechanical property?s modification on the final component, as well as obtaining reduced process times. Conventional grinding wheels with microcrystalline aluminum oxide abrasive ensure excellent wear resistance and tool dressing flexibility, however with effects on the subsurface still not completely understood. This study shows that to obtain more sustainable multi-step external cylindrical plunge grinding cycles for grinding with conventional grinding wheels, it is of fundamental importance to acknowledge the real grinding wheel characteristics. Ring-shape quenched and tempered AISI 1040 steel workpieces, were ground with grinding wheels with different content of microcrystalline aluminum oxide (from 0%, up to 45%), employing specific material removal rates from roughing to finishing. The evaluation criteria were the grinding force and surface integrity. The results supply a database and help the determination of grinding cycles with optimized grinding time, constrained by the boundary-affected layer thickness and surface roughness of the component. The X-ray tomography revealed that the provided wheels without and with the lowest microcrystalline aluminum oxide content present a higher binder percentage than the wheels with the higher microcrystalline aluminum oxide content. The evaluation of the grinding force components, surface roughness, and boundary-affected layer results, considering volumetric fraction of the abrasives, binder, and pores, allowed a consistent evaluation of the results. The roughing cycle optimization, restricted by the surface integrity and to be removed on the finishing operation, allows the reduction of the grinding times with the use of multi-step grinding cycles, however still requiring consistent reliable in-depth data to make consistent results. It is also concluded that the replacement of the conventional grinding wheels with grinding wheels containing microcrystalline aluminum oxide in the abrasive composition must consider the knowledge of the grinding wheel composition and structure to allow adequate prediction of its influence on the boundary-affected layer.