Técnicas de processamento digital de sinais de sensor piezelétrico na detecção de vibrações auto-excitadas (chatter) no processo de retificação

Abstract

O chatter corresponde a movimentos instáveis e caóticos no sistema de usinagem, resultando em flutuação das forças de corte e na impressão de ondulações na superficie da peça usinada. É um fenômeno indesejável ao processo de usinagem, especialmente ao processo de retificação, pois a sua ocorrência acentuada resulta em um produto acabado com tolerâncias dimensionais e geométricas fora dos padrões, ou até mesmo em danos irreversíveis, como por exemplo, alteração na dureza, alta rugosidade e queima superficial da peça usinada. Na literatura, poucos trabalhos tratam da análise e monitoramento do chatter com técnicas de processamento digital de sinais, especialmente de aceleração. O objetivo desse trabalho é propor uma nova técnica de processamento digital utilizando os sinais de aceleração baseados no cálculo da STFT - Short Time Fourier Transform (Transformada de Fourier de curta duração) e na estatística Relação de Potência (ROP – ratio of power), com a finalidade de detecção do fenômeno de chatter na retificação tangencial plana com rebolo superabrasivo de nitreto cúbico de boro (CBN) e óxido de alumínio. Para tanto, ensaios de retificação foram realizados em corpos de prova de aço ABNT 1045. Um acelerômetro piezelétrico foi acoplado ao suporte das peças e sinais de aceleração foram coletados à uma frequência de amostragem de 2MHz. Dentre as variáveis de saída, obteve-se a dureza Vickers (HV), rugosidade média (Ra) e a análise microestrutural das peças retificadas. Os sinais de aceleração foram processados por meio técnicas de processamento digital baseadas no cálculo da STFT e da ROP resultando na obtenção das características de tempo e frequência relacionadas ao fenômeno de chatter. Os resultados mostraram que, por meio da técnica proposta, foi possível caracterizar, ao longo do tempo, os padrões espectrais de uma determinada banda de frequência diretamente relacionada ao fenômeno chatter. Verificou-se que os padrões observados possuíam uma relação direta e significativa com as alterações de rugosidade e de dureza das peças usinadas. Portanto, conclui-se que a metodologia apresentada foi capaz de fornecer diretrizes para um sistema de monitoramento eficaz para a detecção do fenômeno de chatter no processo de retificação plana.

Chatter corresponds to unstable and chaotic movements in the machining system, resulting in fluctuation of the cutting forces. It is a serious and undesired physical phenomenon that occurs in the grinding process during parts manufacturing. The intense occurrence of this phenomenon during machining can generate a finished part outside the dimensional and geometric tolerances or even cause irreversible damage, such as: changes to the hardness, high surface roughness, and thermal damages to the ground part. Few vibration signal processing techniques have been proposed for monitoring chatter during grinding. Thus, the objective of this study is to propose and validate a new vibration signal processing technique based on the short-time Fourier transform (STFT) and the ratio of power (ROP) statistic for the detection of chatter during the tangential surface grinding of ABNT 1045 steel with different grinding wheels. Experimental grinding tests were conducted, and the vibration signals were recorded at 2 MHz. The Vickers hardness (HV), roughness (Ra) and metallography of the ground workpiece surfaces were performed. Subsequently, a digital processing technique based on the STFT and ROP was applied to the vibration signals to extract the characteristics of the chatter in the grinding process. The results show that this technique can be used to characterize over time the spectral patterns of a frequency band related to chatter. The observed patterns have a strong relationship with the changes in the Ra and hardness of the machined workpieces. Therefore, the presented methodology is capable of providing a roadmap for an effective grinding chatter monitoring system.