Apostila completa usinagem

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  1. 1. APOSTILA DE USINAGEM 2013
  2. 2. Índice 1. Introdução aos Processos de Usinagem ........................................................................ 1 1.1. Breve Histórico ........................................................................................................ 3 1.2. Princípios de Usinagem com Ferramentas de Geometria Definida .......................... 8 1.3. Princípios de Usinagem com Ferramentas de Geometria Não-Definida ................ 12 2. Velocidades na Usinagem............................................................................................ 13 2.1. Conceitos Auxiliares .............................................................................................. 16 2.2. Superfícies Definidas Sobre a Peça ...................................................................... 17 2.3. Grandezas de Avanço ........................................................................................... 18 2.4. Grandezas de Penetração..................................................................................... 19 2.5. Grandezas de Corte .............................................................................................. 21 2.6. Análise Simplificada das Grandezas...................................................................... 22 3. Geometria da Cunha de Corte ..................................................................................... 24 3.1. Sistemas de Referência......................................................................................... 27 4. Forças e Potências de Corte........................................................................................ 39 4.1. Forças Durante a Usinagem.................................................................................. 39 4.2. Potências de Usinagem......................................................................................... 42 4.3. Cálculo da Força de Corte..................................................................................... 44 4.3.1. Cálculo da Força e da Potência de Corte no Torneamento ............................. 48 4.3.2. Cálculo da Força e da Potência de Corte na Furação ..................................... 51 4.3.3. Cálculo da Força e Potência de Corte no Fresamento .................................... 53 5. Mecanismo de Formação de Cavaco........................................................................... 60 5.1. A Interface Cavaco-Ferramenta............................................................................. 61 5.2. Controle da Forma do Cavaco............................................................................... 63 5.3. Classificação dos Cavacos.................................................................................... 64 5.4. Alteração da Forma do Cavaco ............................................................................. 66 5.5. Temperatura de Corte ........................................................................................... 72 6. Desgaste de Ferramentas............................................................................................ 75 6.1. Medição dos Desgastes da Ferramenta ................................................................ 79 6.2. Mecanismos Causadores do Desgaste da Ferramenta ......................................... 82 6.3. Sumarizando ......................................................................................................... 86 7. Materiais para Ferramentas ......................................................................................... 87 7.1. Descrição dos Materiais ........................................................................................ 88 8. Fluidos de Corte........................................................................................................... 97 8.1. Funções do Fluido de Corte................................................................................... 97 8.1.1. O Fluido de Corte como Refrigerante.............................................................. 98 8.1.2. O Fluido de Corte como Lubrificante ............................................................... 99 8.2. Classificação dos Fluidos de Corte...................................................................... 100 8.2.1. Ar .................................................................................................................. 101 8.2.2. Tipos Aquosos .............................................................................................. 101 8.2.3. Óleos ............................................................................................................ 102 8.3. Seleção do Fluido de Corte ................................................................................. 104 9. Usinagem com Ferramentas de Gumes de Geometria Indefinida .............................. 107
  3. 3. ii 9.1. Tipos de Abrasivos .............................................................................................. 109 9.1.1. Abrasivos Naturais ........................................................................................ 111 9.1.2. Abrasivos Artificiais ou Sintéticos.................................................................. 112 9.2. Granulometria...................................................................................................... 120 9.3. Ligantes............................................................................................................... 121 9.3.1. Ligantes Inorgânicos ..................................................................................... 121 9.3.2. Ligantes Orgânicos ....................................................................................... 123 9.4. Dureza................................................................................................................. 124 9.5. Estrutura.............................................................................................................. 125 9.6. Especificação de Rebolos.................................................................................... 126 9.7. Forma dos Rebolos e Perfil dos Bordos............................................................... 128 9.8. Refrigeração na Retificação................................................................................. 131 9.9. Seleção de Rebolos............................................................................................. 133 9.10. Defeitos no Uso de Rebolos .............................................................................. 137 10. Análise das Condições Econômicas de Usinagem................................................... 138 10.1. Ciclos e Tempos de Usinagem .......................................................................... 139 10.2. Velocidade de Corte de Máxima Produção (vcmxp) ............................................. 141 10.3. Custos de Produção .......................................................................................... 144 10.4. Vida Económica da Ferramenta......................................................................... 146 10.5. Intervalo de Máxima Eficiência .......................................................................... 148 11. Sistemas CNC.......................................................................................................... 150
  4. 4. iii Lista de Figuras Figura 1.1 – Classificação dos Processos de Fabricação (Fonte: Adaptado de DIN 8580).1 Figura 1.2 – Ferramentas de Pedra ................................................................................... 3 Figura 1.3 – Plaina Neolítica .............................................................................................. 4 Figura 1.4 – Furadeira a Arco Egípcia................................................................................ 4 Figura 1.5 – Torno a Arco, 1565......................................................................................... 5 Figura 1.6 – Torno de Senot, 1795..................................................................................... 6 Figura 1.7 – Tornos de Maudslay, 1800 e 1848 ................................................................. 6 Figura 1.8 – Movimento da cunha de corte em relação à peça (Fonte: YOSHIDA,1979). .. 8 Figura 1.9 – Movimentos de Corte e Avanço. .................................................................... 9 Figura 1.10 – Movimentos Ativos de Usinagem no Serramento Alternativo. .................... 10 Figura 1.11 – Movimentos Ativos de Usinagem no Torneamento Cilíndrico..................... 10 Figura 1.12 – Movimentos Ativos de Usinagem na Furação............................................. 11 Figura 2.1 – Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo no torneamento. Ângulos da direção de avanço φ, da direção efetiva η e plano de trabalho (Fonte: DINIZ et al, 2000)........................................................................................................................... 14 Figura 2.2 – Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo na furação. Ângulos da direção de avanço φ, da direção efetiva η e plano de trabalho (Fonte: DINIZ et al, 2000)................................................................................................................................ 15 Figura 2.3 - Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo no fresamento discordante. Ângulos da direção de avanço φ, da direção efetiva η e plano de trabalho (Fonte: DINIZ et al, 2000)................................................................................................. 15 Figura 2.4 – Percurso de corte lc, de avanço lf e efetivo le na operação de fresamento discordante (Fonte: DINIZ et al, 2000). ............................................................................ 16 Figura 2.5 – Superfícies, Grandezas de corte, ponto de referência D e largura nominal de corte bD no torneamento cilíndrico (Fonte: DINIZ et al, 2000). ......................................... 18 Figura 2.6 – Avanço por dente fz, avanço de corte fc e avanço efetivo no fresamento discordante (Fonte: DINIZ et al, 2000). ............................................................................ 19 Figura 2.7 – Largura de usinagem ap, penetração de trabalho ae e penetração de avanço af no fresamento tangencial (Fonte: DINIZ et al, 2000). ................................................... 20 Figura 2.8 – Profundidade de usinagem ap, penetração de trabalho ae e penetração de avanço af no fresamento frontal (Fonte: DINIZ et al, 2000). ............................................. 20 Figura 2.9 – Grandezas de corte para arestas de corte retilíneas. Exemplo: torneamento cilíndrico com ferramenta com λ = 0; o ponto de corte escolhido neste caso encontra-se na ponta de corte da ferramenta (Fonte: DINIZ et al, 2000). ............................................ 22 Figura 3.1 – Cunha de corte da ferramenta de torneamento (Fonte: DINIZ et al,2000). ... 24 Figura 3.2 – Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma ferramenta de torneamento (Fonte: DINIZ et al, 2000)............................................................................ 25 Figura 3.3 – Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma fresa frontal (Fonte: DINIZ et al, 2000)............................................................................................................. 26 Figura 3.4 – Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma broca helicoidal (Fonte: DINIZ et al, 2000)................................................................................................. 27
  5. 5. iv Figura 3.5 – Planos do sistema de referência da ferramenta de torneamento (Fonte: DINIZ et al, 2000)....................................................................................................................... 28 Figura 3.6 – Planos do sistema de referência da ferramenta numa fresa cilíndrica (Fonte: DINIZ et al, 2000)............................................................................................................. 29 Figura 3.7 – Planos do sistema de referência da ferramenta numa broca helicoidal (Fonte: DINIZ et al, 2000)............................................................................................................. 30 Figura 3.8 – Ângulos de localização das arestas de corte no sistema de referência da ferramenta, para torneamento cilíndrico (esquerda) e torneamento de faceamento (esquerda) (Fonte: DINIZ et al, 2000). ............................................................................. 33 Figura 3.9 – Ângulos de saída, de cunha e de folga da ferramenta, representados no plano admitido de trabalho (Fonte: DINIZ et al, 2000). ..................................................... 34 Figura 3.10 – Ângulos de uma ferramenta de torneamento (Fonte: DINIZ et al, 2000)..... 35 Figura 3.11 – Ângulos da ferramenta numa fresa de faceamento (Fonte: DINIZ et al, 2000)................................................................................................................................ 36 Figura 3.12 – Ângulos da ferramenta numa broca helicoidal (Fonte: DINIZ et al, 2000)... 37 Figura 4.1 – Força de usinagem e suas componentes na operação de torneamento (Fonte: DINIZ et al, 2000)................................................................................................. 40 Figura 4.2 – Força de usinagem e suas componentes na operação de fresamento (Fonte: DINIZ et al, 2000)............................................................................................................. 41 Figura 4.3 – Variação da pressão específica de corte com a espessura de corte para diversos processos de usinagem (Fonte: FERRARESI, 1977)......................................... 45 Figura 4.4 – Variação da pressão específica de corte com a espessura de corte (Fonte: FERRARESI, 1977). ........................................................................................................ 46 Figura 4.5 – Representação bi-logarítmica da pressão específica de corte em função da espessura de corte (Fonte: FERRARESI, 1977). ............................................................. 47 Figura 4.6 – Dimensões características no fresamento frontal (Fonte: WITTE, 1998)...... 54 Figura 4.7 – Dimensões características no fretamento cilíndrico tangencial (Fonte: WITTE, 1998)................................................................................................................................ 57 Figura 4.8 – Representação do cavaco tipo vírgula (Fonte: WITTE, 1998). ..................... 58 Figura 5.1 – Esquema da formação do cavaco mostrando o plano de cisalhamento (Fonte: DINIZ et al, 2000)............................................................................................................. 60 Figura 5.2 – Área de contato cavaco-ferramenta (Fonte: DINIZ et al, 2000). ................... 62 Figura 5.3 – Zona de fluxo dentro do cavaco (Fonte: DINIZ et al, 2000). ......................... 63 Figura 5.4 – Formas do cavaco: a) em fita; b) helicoidal; c) espiral; d) em lascas (Fonte: DINIZ et al, 2000)............................................................................................................. 65 Figura 5.5 – Variação da forma de cavaco através da curvatura vertical, curvatura lateral e do ângulo de inclinação do cavaco (Fonte: DINIZ et al, 2000). ..................................... 66 Figura 5.6 – Diferentes tipos de quebra de cavacos (Fonte: DINIZ et al, 2000)................ 68 Figura 5.7 – Condição limite para a quebra do cavaco (Fonte: DINIZ et al, 2000)............ 69 Figura 5.8 – Influência da relação ap/r na curvatura e quebra do cavaco (Fonte: DINIZ et al, 2000)........................................................................................................................... 70 Figura 5.9 – Quebra cavacos postiços e moldados na superfície de saída (Fonte: DINIZ et al, 2000)........................................................................................................................... 70
  6. 6. v Figura 5.10 – Variação da distribuição da energia de corte com a velocidade de corte (Fonte: DINIZ et al, 2000)................................................................................................. 72 Figura 5.11 – Distribuição típica de temperatura na ponta de uma ferramenta de metal duro (Fonte: DINIZ et al, 2000). ....................................................................................... 73 Figura 6.1 – Desgaste de Flanco (Fonte: DINIZ et al, 2000). ........................................... 75 Figura 6.2 – Desgaste de Cratera (Fonte: DINIZ et al, 2000). .......................................... 76 Figura 6.3 – Deformação plástica da aresta de corte (Fonte: DINIZ et al, 2000). ............. 76 Figura 6.4 – Lascamento (Fonte: DINIZ et al, 2000)......................................................... 77 Figura 6.5 – Trincas térmicas (Fonte: DINIZ et al, 2000).................................................. 77 Figura 6.6 – Trincas mecânicas (Fonte: DINIZ et al, 2000). ............................................. 78 Figura 6.7 – Quebra em ferramenta (Fonte: DINIZ et al, 2000). ....................................... 79 Figura 6.8 – Desgastes da ferramenta (Fonte: DINIZ et al, 2000). ................................... 80 Figura 6.9 – Aresta postiça de corte (Fonte: DINIZ et al, 2000)........................................ 82 Figura 6.10 – Desgaste Frontal X Velocidade de Corte (Fonte: DINIZ et al, 2000)........... 83 Figura 6.11 – Desgaste frontal com e sem a presença da aresta postiça de corte (Fonte: DINIZ et al, 2000)............................................................................................................. 84 Figura 7.1 – Influência da cobertura na vida da broca de aço rápido (Fonte: DINIZ et al, 2000)................................................................................................................................ 90 Figura 7.2 – Influência do percentual de cobalto e da temperatura na dureza do metal duro (Fonte: DINIZ et al, 2000)................................................................................................. 92 Figura 9.1 - Visualização esquemática de um processo de usinagem com ferramenta de geometria indefinida (Fonte: STOETERAU, 2007). ........................................................ 107 Figura 9.2 – Usinagem com ferramenta de gume de corte indefinido pelo princípio da ação de energia (Fonte: STOETERAU, 2007). ....................................................................... 108 Figura 9.3 – Usinagem com ferramenta de gume de corte indefinido pelo princípio da ação de posição (Fonte: STOETERAU, 2007)........................................................................ 108 Figura 9.4 – Usinagem com ferramenta de gume de corte indefinido pelo princípio da ação de força (Fonte: STOETERAU, 2007). ........................................................................... 109 Figura 9.5 – Usinagem com ferramenta de gume de corte indefinido pelo princípio da ação de trajetória (Fonte: STOETERAU, 2007). ..................................................................... 109 Figura 9.6 – Escala de Mohs (Fonte: STEMMER, 2005)................................................ 110 Figura 9.7 – Dureza Knoop (Fonte: STEMMER, 2005). ................................................. 110 Figura 9.8 – Composição química dos eletro-coríndons (Fonte: STEMMER, 2005)....... 114 Figura 9.9 – Composição química dos rebolos de carboneto de silício (Fonte: STEMMER, 2005).............................................................................................................................. 118 Figura 9.10 – Classificação da granulometria em “mesh” (Fonte: STEMMER, 2005)..... 120 Figura 9.11 – Estrutura aberta e fechada (Fonte: STEMMER, 2005). ............................ 125 Figura 9.12 – Marcação de rebolos com abrasivos convencionais (Fonte: STEMMER, 2005).............................................................................................................................. 127 Figura 9.13 – Exemplo de marcação de rebolos com abrasivos de Al2O3 ou SiC (Fonte: STEMMER, 2005).......................................................................................................... 127 Figura 9.14 – Exemplo de marcação de rebolos com abrasivo de diamantes ou CBN (Fonte: STEMMER, 2005).............................................................................................. 128 Figura 9.15 – Formas Básicas de Rebolos (Fonte: STEMMER, 2005)........................... 129
  7. 7. vi Figura 9.16 – Rebolos com redução única para dentro (Fonte: STEMMER, 2005). ....... 130 Figura 9.17 – Rebolos ebolos montados (Fonte: STOETERAU, 2007). ......................... 130 Figura 9.18 – Perfil dos bordos dos rebolos (Fonte: STEMMER, 2005). ........................ 131 Figura 10.1 – Tempo de Produção por Peça X Velocidade de Corte (Fonte: FERRARESI, 1977).............................................................................................................................. 143 Figura 10.2 – Custo de Produção por Peça X Velocidade de Corte ............................... 148 Figura 10.3 – Intervalo de Máxima Eficiência................................................................. 149 Figura 11.1 – Esquema da evolução das máquinas ferramenta para torneamento. ....... 150 Figura 11.2 – Esquema de controle manual de um torno mecânico. .............................. 151 Figura 11.3 - Tomo com controle mecânico. .................................................................. 152 Figura 11.4 - Torno com controle numérico.................................................................... 153 Figura 11.5 – Modos de armazenamento e transmissão de programas. ........................ 155 Figura 11.6 - Correlação entre componentes dos controles manual e numérico. ........... 156 Figura 11.7 - Malha de controle numérico. ..................................................................... 157 Figura 11.7 – Representação dos eixos em uma mandriladora e em uma fresadora. .... 158 Figura 11.8 – Sistema de movimentação de uma mesa................................................. 159 Figura 11.9 - Fusos e guias usados em máquinas-ferramenta CNC. ............................. 160 Figura 11.10 - Modelos de trocadores de ferramentas e magazines utilizados em tornos e centros de usinagem...................................................................................................... 160
  8. 8. 1 1. Introdução aos Processos de Usinagem A norma alemã DIN 8580 classifica os processos de fabricação conforme pode ser visto na figura 1.1, e coloca os processos de usinagem todos dentro de um grande grupo chamado “separar”. Entende-se por processo de usinagem, todo e qualquer processo no qual haja remoção, mecânica ou não, de uma determinada quantidade de material de uma peça, com o objetivo de adequar seu formato ao seu uso. Figura 1.1 – Classificação dos Processos de Fabricação (Fonte: Adaptado de DIN 8580).
  9. 9. 2 Dentro dos processos de usinagem, ainda podem-se classificá-los como sendo:  Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida  Usinagem com Ferramenta de Geometria Não-definida  Usinagem por Processos Não-convencionais Processos de Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida são aqueles em que a ferramenta possui uma aresta cortante, ou seja, um gume de corte, que descreve uma trajetória em relação à peça a ser usinada. Esse movimento resulta na remoção do material na forma de cavaco. São exemplos desse tipo de processo de usinagem os processos de torneamento, fresamento, furação, mandrilamento, brochamento, etc. Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Não-definida são aqueles nos quais a ferramenta é formada por uma grande quantidade de grãos abrasivos, que funcionam como vários gumes de corte. Esses grão abrasivos podem ser mantidos juntos por meio de algum tipo de aglomerante, e são quebrados e/ou arrancados da ferramenta ao mesmo tempo que retiram material da peça na forma de cavaco. São exemplos desse tipo de processo de usinagem os processos de retificação, brunimento, lapidação, polimento, lixação, etc. Processos de Usinagem Não-convencionais são todos os processos de usinagem que não podem ser classificados conforme as duas classificações anteriores. São exemplos desse tipo de processo de usinagem os processos de usinagem química, usinagem por eletroerosão, usinagem por jato d’água, usinagem por ultrassom, etc.
  10. 10. 3 1.1. Breve Histórico Os processos de usinagem são utilizados, ainda que de maneira empírica, desde a antiguidade. As primeiras ferramentas de que se tem notícia, que tinham o objetivo de cortar ou esculpir materiais, eram construídas em pedra, conforme pode ser visto na figura 1.2. Figura 1.2 – Ferramentas de Pedra Já no período neolítico, aproximadamente 6000 anos antes de Cristo, existiam dispositivos que podem ser considerados como as primeiras “máquinas” de usinagem. Um exemplo desses dispositivos é a plaina apresentada na figura 1.3. No Egito, aproximadamente quinze séculos antes de Cristo, também eram utilizadas ferramentas para trabalhar a madeira e a pedra, como a furadeira a arco da figura 1.4, que transformava o movimento alternativo do arco em movimento rotativo da broca.
  11. 11. 4 Figura 1.3 – Plaina Neolítica Figura 1.4 – Furadeira a Arco Egípcia A figura 1.5 mostra um torno do século XVI utilizando um método similar para transformar o movimento alternativo em rotativo.
  12. 12. 5 Figura 1.5 – Torno a Arco, 1565 Os primeiros tornos que utiliza concepções modernas surgiram a partir do final do século XVIII, com o torno de Senot (figura 1.6) e evoluíram a partir da Revolução Industrial do início do século XIX (figura 1.7).
  13. 13. 6 Figura 1.6 – Torno de Senot, 1795 Figura 1.7 – Tornos de Maudslay, 1800 e 1848 Alguns eventos marcantes na evolução dos processos de usinagem são destacados a seguir:  1.000 A.C. - Surgem os primeiros tornos - Idade do Bronze – metais predominantes Cu, Zn, Sn  700 A.C. - Processamento do ferro  SÉC. XIV - Desenvolvimento das primeiras armas de fogo na Europa  SÉC. XVI - Torneamento ornamental - Jaccques Benson  SÉC. XVII – Melhoria nos processos de fabricação de ferro e aço  SÉC. XVIII - Primeiras obras conhecidas sobre torneamento – Jacques Plumier - L’ART DE TORNEURS.
  14. 14. 7  SÉC. XIX – Revolução industrial o Desenvolvimento da máquina a vapor – James Watts o Primeiras Máquinas-Ferramentas projetadas segundo princípios modernos o Fabricação em série o Aço ferramenta é o principal material de ferramentas de usinagem  SÉC. XX – Século da tecnologia o 1900 – Taylor apresenta o Aço Rápido o 1930 – Vanner Bush inventa o primeiro computador analógico o 1935 – É desenvolvido o Metal Duro o 1946 – É desenvolvido o primeiro computador eletrônico digital – o ENIAC o 1947 – É desenvolvido o primeiro transistor nos Laboratórios Bell o 1950 – Primeira máquina-ferramenta numericamente controlada, MIT o 1960 - Primeira LASER foi construído por Theodore Maiman, Laboratórios de pesquisa Hugues o 1968 - Borroughs produz os primeiros computadores utilizando circuitos integrados o '70 - BRIAN – Primeiras Pesquisas sobre usinagem de ultraprecisão o '70 – Primeiras ferramentas Cermets – Japão o '80 – Primeiras pesquisas sobre usinagem de alta-velocidade o '90 – Ferramentas cerâmicas o '90 – Ferramentas CBN, Diamante  SÉC. XXI – Mais tecnologia o ´10 - Máquinas Flexíveis o ´10 – Integração total por computadores
  15. 15. 8 1.2. Princípios de Usinagem com Ferramentas de Geometria Definida O material que é removido durante o processo de usinagem é chamado de cavaco. A remoção do cavaco só é possível mediante o movimento de uma cunha cortante em relação à peça, como é exemplificado na figura 1.8. Figura 1.8 – Movimento da cunha de corte em relação à peça (Fonte: YOSHIDA,1979). A esse movimento é dado o nome de Movimento de Corte, e ele garante que será retirado cavaco até que acabe a peça naquela direção. Para que, após a primeira retirada de cavacos, a peça possa continuar sendo usinada é necessário que haja um outro movimento, que é chamado de movimento de avanço. Esse movimento garante que a ferramenta seja re-posicionada a fim de realizar um novo movimento de corte, como mostra a figura 1.9.
  16. 16. 9 Figura 1.9 – Movimentos de Corte e Avanço. Esses movimento são sempre os responsáveis pela retirada de cavacos que possibilita as operações de usinagem. Eles podem se apresentar sob diversas formas, dependendo do tipo de processo que está sendo considerado. O movimento resultante desses dois movimentos é chamado de Movimento Efetivo de Corte. Esses três movimentos de usinagem, por contribuirem diretamente para a remoção de cavaco, são chamados de Movimentos Ativos. È interessante ressaltar que, embora em alguns casos a peça se movimente e a ferramenta fique estática, ou ambas se movimentem simultaneamente, para fins de estudo, considera-se sempre que a ferramenta é que se movimenta em relação à peça. Alguns exemplos de movimentos em processos comuns de usinagem são apresentados a seguir. Movimentos Ativos de Usinagem nos Processos de Serramento Alternativo Nesse processo de serramento o movimento de corte é dado pelo movimento alternativo de um sistema biela-manivela, acoplado a um arco que contém a ferramenta de corte (serra). O movimento de avanço normalmente é realizado pela ação de um peso sobre o arco, que força o mesmo sobre a peça a ser cortada. Esse processo é exemplificado na figura 1.10. MMoovviimmeennttoo ddee AAvvaannççoo MMoovviimmeennttoo ddee CCoorrttee
  17. 17. 10 Figura 1.10 – Movimentos Ativos de Usinagem no Serramento Alternativo. Movimentos Ativos de Usinagem no Processo de Torneamento Cilíndrico Em um processo de torneamento cilíndrico o movimento de corte é dado pela rotação da peça em torno do próprio eixo, que garante a retirada de material em uma só rotação. O movimento de avanço, que quando somado ao movimento de corte permite a retirada contínua de material, é dado por um deslocamento axial da ferramenta em relação à peça (figura 1.11). Figura 1.11 – Movimentos Ativos de Usinagem no Torneamento Cilíndrico. MMoovviimmeennttoo ddee AAvvaannççoo MMoovviimmeennttoo ddee CCoorrttee MMoovviimmeennttoo ddee CCoorrttee MMoovviimmeennttoo EEffeettiivvoo ddee CCoorrttee MMoovviimmeennttoo EEffeettiivvoo ddee CCoorrttee MMoovviimmeennttoo ddee AAvvaannççoo
  18. 18. 11 Movimentos Ativos de Usinagem no Processo de Furação Nos processos de furação o movimento de corte é dado pela rotação da ferramenta, sendo o movimento de avanço obtido pelo deslocamento axial da ferramenta e relação à peça. Esse arranjo pode ser visto na figura 1.12. Figura 1.12 – Movimentos Ativos de Usinagem na Furação. Movimetos Passivos Os movimentos passivos são aqueles que, apesar de fundamentais para a realização dos processos de usinagem, não promovem a remoção de material ao ocorrerem. São eles:  Movimento de Ajuste – é o movimento entre a ferramenta e a peça, no qual é pré- determinada a espessura de material a ser removida.  Movimento de Correção – é o movimento entre a ferramenta e peça, empregado para compensar alterações de posicionamento devidas, por exemplo, ao desgaste da ferramenta, variações térmicas, deformações plásticas, entre outras, que normalmente incidem durante a ocorrência do processo.  Movimento de Aproximação – é o movimento entre a ferramenta e a peça, com o qual a ferramenta, antes do início da usinagem, se aproxima da peça.  Movimento de Recuo – é o movimento entre a ferramenta e a peça, com o qual a ferramenta, após a usinagem, é afastada da peça. MMoovviimmeennttoo ddee AAvvaannççoo MMoovviimmeennttoo ddee CCoorrttee
  19. 19. 12 1.3. Princípios de Usinagem com Ferramentas de Geometria Não-Definida A remoção é realizada pela ação de grãos, mais ou menos disformes, de materiais duros que são postos em interferência com o material da peça. Os princípios desses processos são descritos em maiores detalhes no capítulo 9. É utilizado em processos de acabamento, para melhorar características dimensionais, geométricas e superficiais.
  20. 20. 13 2. Velocidades na Usinagem Cada movimento realizado durante o processo de usinagem é realizado em um determinado intervalo de tempo. Esse deslocamento em um intervalo de tempo resulta em uma velocidade. As velocidades principais que devem ser consideradas são a velocidade de corte e a velocidade de avanço.  Velocidade de Corte - Resultado do deslocamento da ferramenta diante da peça, considerado no tempo, para operações do tipo aplainamento e brochamento, onde os movimentos de corte e de avanço não ocorrem concomitantemente. - Velocidade tangencial instantânea resultante da rotação da ferramenta em torno da peça, para as operações do tipo torneamento, fresamento, ou furação, onde os movimentos de corte e de avanço ocorrem concomitantemente. Para estes últimos, a vc é calculada por: 1000 nd vc    Onde: vc é a velocidade de corte, em m / min d é o diâmetro da ferramenta ou da peça, em mm n é a velocidade de rotação da ferramenta ou da peça, em RPM  Velocidade de Avanço - Para operações do tipo aplainamento a velocidade de avanço é considerada como a quantidade de deslocamento por curso da ferramenta. - Para operações do tipo torneamento a velocidade de avanço é dada por:
  21. 21. 14 f d v nfv c f      1000 Onde: vf é a velocidade de avanço, em m / min f é o avanço, em mm / revolução Figura 2.1 – Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo no torneamento. Ângulos da direção de avanço φ, da direção efetiva η e plano de trabalho (Fonte: DINIZ et al, 2000).  Tempo de Corte (Tempos Ativos) - O tempo de corte (tc) resume a totalidade dos tempos ativos, pois ele representa o tempo em que os movimentos de corte e / ou de avanço estão efetivamente ocorrendo. - Em uma operação de torneamento cilíndrico pode ser calculado por:
  22. 22. 15 c ff f f c vf ld nf l v l t      1000  Onde: tc é o tempo de corte, em min lf é o percurso de corte, em mm Figura 2.2 – Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo na furação. Ângulos da direção de avanço φ, da direção efetiva η e plano de trabalho (Fonte: DINIZ et al, 2000). Em operações onde não se tem rotação constante (torneamento de faceamento com velocidade de corte constante) ou onde a trajetória da ferramenta é complexa, o cálculo do tempo de corte depende de uma integração da relação         f f v l d . Nestes casos, muitas vezes é preferível cronometrar o tempo de corte ao invés de calculá-lo. Figura 2.3 - Direção dos movimentos de corte, de avanço e efetivo no fresamento discordante. Ângulos da direção de avanço φ, da direção efetiva η e plano de trabalho (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  23. 23. 16 Figura 2.4 – Percurso de corte lc, de avanço lf e efetivo le na operação de fresamento discordante (Fonte: DINIZ et al, 2000).  Tempos Passivos Os tempos passivos nem sempre podem ser calculados. Geralmente são estimados por técnicas específicas que estudam os movimentos e a cronometragem dos tempos a eles relacionados, estabelecendo os chamados tempos-padrões. 2.1. Conceitos Auxiliares Serão utilizados para a definição de outros conceitos, que serão tratados em seguida, e também para estabelecer algumas relações entre as diversas grandezas envolvidas no processo de usinagem.  Ângulo da Direção de Avanço (φ) – é o ângulo entre a direção de avanço e a direção de corte. Pode ser constante, como no torneamento e na furação (φ = 90o ) ou variável continuamente durante o processo, como no fresamento (figuras 2.1, 2.2 e 2.3).  Ângulo da Direção Efetiva (η) – é o ângulo entre a direção efetiva e a direção de corte. Estes ângulos obedecem a seguinte expressão:
  24. 24. 17    cos  f c v v sen tg  Pondo de Corte Escolhido – é um ponto qualquer da aresta de corte (principal ou secundária) “escolhido” especificamente para a análise do sistema ferramenta / peça. É um ponto destinado à determinação das grandezas, das superfícies e ângulos da parte de corte, em uma posição genérica da aresta principal ou secundária de corte.  Ponto de Referência da Aresta de Corte (D) – é um ponto situado no meio da aresta principal de corte utilizado para a fixação do plano de medida PD (figura 2.5). É um ponto de corte escolhido com a particularidade de situar-se no meio da aresta principal de corte ativa.  Plano de Trabalho (Pfe) – é um plano imaginário que contém as direções de corte e de avanço, passando pelo ponto de corte escolhido (figuras 2.1, 2.2 e 2.3). Como conseqüência de sua definição, é sobre este plano que ocorrem os movimentos ativos.  Plano de Medida (PD) – é o plano perpendicular à direção de corte, passando pelo ponto de referência da aresta de corte D (figura 2.5). 2.2. Superfícies Definidas Sobre a Peça  Superfície a Usinar – é a superfície da peça antes da operação de usinagem (figura 2.5).  Superfície em Usinagem – é a superfície da peça que está sendo gerada pela ferramenta. Haverá uma superfície em usinagem principal ou secundária quando a geração da mesma estiver ocorrendo pela ação da aresta principal de corte, ou da aresta secundária de corte, respectivamente.  Superfície Usinada – é a superfície da peça que foi gerada pelo processo de usinagem.
  25. 25. 18 2.3. Grandezas de Avanço São grandezas que resultam do movimento de avanço. São elas:  Avanço (f) – é o percurso de avanço em cada volta ou em cada curso da ferramenta (figura 2.5).  Avanço por Dente (fz) – é o percurso de avanço por dente e por volta ou curso da ferramenta, medido na direção do avanço. Corresponde à distância entre duas superfícies em usinagem consecutivas, considerada na direção do avanço (figura 2.6). z f fz  Onde: z é o número de dentes da ferramenta Figura 2.5 – Superfícies, Grandezas de corte, ponto de referência D e largura nominal de corte bD no torneamento cilíndrico (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  26. 26. 19  Avanço de Corte (fc) – é a distância entre duas superfícies consecutivas em usinagem, medida no plano de trabalho e perpendicular à direção de corte. Tem-se assim que: sen zc ff 2.4. Grandezas de Penetração São grandezas que descrevem geometricamente a relação de penetração entre a ferramenta e a peça.  Profundidade ou Largura de Usinagem (ap) – é a profundidade ou largura de penetração da ferramenta em relação à peça, medida perpendicularmente ao pano de trabalho (figuras 2.5, 2.7 e 2.8). No torneamento cilíndrico e de faceamento, fresamento e retificação frontal, ap é denominada profundidade de usinagem. No brochamento, fresamento e retificação tangencial ap é denominada largura de usinagem. Na furação em cheio ap corresponde à metade do diâmetro da broca. Figura 2.6 – Avanço por dente fz, avanço de corte fc e avanço efetivo no fresamento discordante (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  27. 27. 20  Penetração de Trabalho (ae) – é a penetração da ferramenta em relação à peça, medida no plano de trabalho e perpendicularmente à direção de avanço. A penetração de trabalho ae tem importância predominante no fresamento e na retificação plana (figuras 2.7 e 2.8). Figura 2.7 – Largura de usinagem ap, penetração de trabalho ae e penetração de avanço af no fresamento tangencial (Fonte: DINIZ et al, 2000). Figura 2.8 – Profundidade de usinagem ap, penetração de trabalho ae e penetração de avanço af no fresamento frontal (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  28. 28. 21 2.5. Grandezas de Corte As grandezas de avanço e de penetração, vistas anteriormente, são informadas à máquina-ferramenta, para que o processo de usinagem ocorra com a definição da porção de material a ser removido. As grandezas de corte são conseqüência das grandezas de avanço e de penetração. Não podem ser medidas, pois somente apresentam-se acessíveis após a usinagem. Após a usinagem, as grandezas podem ser eventualmente medidas, porém estarão com seus valores alterados devido à deformação sofrida pelo material. Elas podem ser calculadas a partir das grandezas de avanço e de penetração. As grandezas nominais de corte são definidas no plano de medida PD (figura 2.5).  Seção Transversal Nominal de Corte (AD) – é a área da seção transversal calculada de um cavaco a ser removido, medida no plano de medida PD.  Seção Transversal Nominal de Corte (ADtot) – é a soma das áreas das seções transversais nominais de corte, geradas por arestas de corte que estejam em ação simultaneamente, quando se empregam ferramentas multicortantes.  Largura Nominal de Corte (bD) – é a distância entre dois pontos extremos da aresta principal de corte, medida no plano PD (figura 2.5).  Espessura Local de Corte (hD) – é a grandeza calculada, resultante da relação entre a seção transversal nominal de corte (AD) e a largura nominal de corte (bD). D D d b A h   Espessura Local de Corte (hi) – é a espessura calculada do cavaco a ser removido, num ponto qualquer da aresta de corte, perpendicular à aresta no plano de medida (PD). Esta definição é oportuna para situações em que a espessura de corte seja variável. Quando este fato não ocorrer, a espessura local de corte será constante e igual à espessura nominal de corte.
  29. 29. 22 Figura 2.9 – Grandezas de corte para arestas de corte retilíneas. Exemplo: torneamento cilíndrico com ferramenta com λ = 0; o ponto de corte escolhido neste caso encontra-se na ponta de corte da ferramenta (Fonte: DINIZ et al, 2000). 2.6. Análise Simplificada das Grandezas Na prática de usinagem, raramente as grandezas definidas são constantes. Entretanto, é freqüente a possibilidade de considera-las aproximadamente constantes, bastando para isso que uma análise da magnitude do erro cometido seja feita. Como o processo de usinagem é dependente de um grande número de variáveis e se constitui em um processo randômico, os erros considerados aceitáveis podem oscilar entre 10 e 15% dos valores medidos ou calculados. A situação idealmente simples para análise das relações entre as grandezas de usinagem, ocorre quando se considera uma ferramenta com aresta de corte retilínea, com
  30. 30. 23 ponta de corte em canto vivo, ângulo de inclinação λ = 0 e ângulo de posição da aresta secundária χ’r = 0. Para a situação idealmente simplificada (figura 2.9), tem-se:  Seção Transversal de Corte (A) – é a área da seção transversal calculada de um cavaco a ser removido, medida perpendicularmente à direção de corte no plano de medida. Neste caso é válida a relação: hbfaA p   Largura de Corte (b) – é a largura calculada da seção transversal de corte. Nas condições idealizadas, a largura de corte é idêntica ao comprimento da aresta de corte ativa e à largura nominal de corte (bD). Da figura 2.9, têm-se: r p X a b sen   Espessura de Corte (h) – é a espessura calculada da seção transversal de corte. Nas condições idealizadas, a espessura de corte é idêntica à espessura nominal de corte (hD) e é calculada com base na figura 9, por: b A Xfh r  sen
  31. 31. 24 3. Geometria da Cunha de Corte Denomina-se cunha de corte (ou gume de corte) a parte da ferramenta na qual o cavaco se origina, através do movimento relativo entre a ferramenta e a peça. As arestas que limitam as superfícies de corte são arestas de corte (Fonte: NBR 6163). A seguir são descritas as principais partes construtivas de uma ferramenta de corte.  Superfícies de Saída (Aγ) – é a superfície da cunha de corte sobre a qual o cavaco é formado e sobre a qual o cavaco escoa durante sua saída da região do trabalho de usinagem (figuras 3.1, 3.2, 3.3 e 3.4). Figura 3.1 – Cunha de corte da ferramenta de torneamento (Fonte: DINIZ et al,2000).  Superfície Principal de Folga (Aα) – é a superfície da cunha de corte da ferramenta que contém sua aresta principal de corte e que defronta com a superfície em usinagem principal (figuras 3.1, 3.2, 3.3 e 3.4).
  32. 32. 25  Superfície Secundária de Folga (A’α) – é a superfície da cunha de corte da ferramenta que contém sua aresta de corte secundária e que defronta com a superfície em usinagem secundária (figuras 3.1, 3.2, 3.3 e 3.4). Figura 3.2 – Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma ferramenta de torneamento (Fonte: DINIZ et al, 2000).  Aresta Principal de Corte (S) – é a aresta da cunha de corte formada pela intersecção das superfícies de saída e de folga principal (figura (figuras 3.1, 3.2, 3.3 e 3.4). Gera na peça a superfície em usinagem principal.  Aresta Secundária de Corte (S’) – é a aresta da cunha de corte formada pela intersecção das superfícies de saída e de folga secundária (figuras 3.2, 3.3 e 3.4). Gera na peça a superfície em usinagem secundária.
  33. 33. 26 Figura 3.3 – Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma fresa frontal (Fonte: DINIZ et al, 2000).  Ponta de Corte – é a parte da cunha de corte onde se encontram as arestas principal e secundária de corte (figuras 3.2, 3.3 e 3.4). A ponta de corte pode ser a intersecção das arestas, ou a concordância das duas arestas através de um arredondamento, ou o encontro das duas arestas através de um chanfro.
  34. 34. 27 Figura 3.4 – Arestas de corte e superfícies da parte de corte de uma broca helicoidal (Fonte: DINIZ et al, 2000) 3.1. Sistemas de Referência Para a definição e descrição dos ângulos da parte de corte são necessários um sistema de referência da ferramenta e um sistema de referência efetivo. Cada um desses sistemas é constituído de planos ortogonais entre si.
  35. 35. 28 Figura 3.5 – Planos do sistema de referência da ferramenta de torneamento (Fonte: DINIZ et al, 2000). O sistema de referência da ferramenta tem aplicação na determinação da geometria da parte de corte da ferramenta, durante o projeto, execução, afiação, reparo e controle da mesma. O sistema de referência efetivo se aplica na determinação da geometria da parte de corte que estará atuando durante a ocorrência do processo de usinagem, ou seja, com a ferramenta fixada na respectiva máquina-ferramenta e com todas as condições operacionais definidas e atuantes.
  36. 36. 29 Sistema de Referência da Ferramenta As figuras 3.5, 3.6 e 3.7 trazem uma representação esquemática do sistema de referência da ferramenta para os processos de torneamento, fresamento cilíndrico e furação, respectivamente. Os planos que compõem esses sistemas de referência são os seguintes: Figura 3.6 – Planos do sistema de referência da ferramenta numa fresa cilíndrica (Fonte: DINIZ et al, 2000).  Plano de Referência da Ferramenta (Pr) – é o plano que, passando pelo ponto de corte escolhido, é perpendicular à direção admitida de corte. A direção admitida de corte é escolhida de maneira que o plano de referência da ferramenta (Pr) seja paralelo ou perpendicular a uma superfície ou eixo da ferramenta, ou ainda, que contenha ou coincida com referida superfície ou eixo.
  37. 37. 30 Figura 3.7 – Planos do sistema de referência da ferramenta numa broca helicoidal (Fonte: DINIZ et al, 2000).  Plano de Corte da Ferramenta (Ps) – é o plano que, passando pelo ponto de corte escolhido, é tangente ou contém a aresta da corte e é perpendicular ao plano de referência da ferramenta (Pr).  Plano Ortogonal da Ferramenta (Po) – é o plano que passando pelo ponto de corte escolhido é perpendicular aos planos de referência (Pr) e de corte (Ps) da ferramenta.
  38. 38. 31 A figura 3.5 também mostra os planos auxiliares, que são indispensáveis para a definição de alguns ângulos da geometria e posicionamento da ferramenta. São eles:  Plano Admitido de Trabalho (Pf) – é o plano que, passando pelo ponto de corte escolhido, é perpendicular ao plano de referência da ferramenta (Pr) e paralelo à direção admitida de avanço.  Plano Dorsal da Ferramenta (Pp) – é o plano que, passando pelo ponto de corte escolhido, é perpendicular aos planos de referência da ferramenta (Pr) e admitido de trabalho (Pf). Sistema Efetivo de Referências Se os sistemas de referência da ferramenta e efetivo tiverem como suas origens o mesmo ponto de corte escolhido, a única diferença entre os dois sistemas será devido à rotação de um em relação ao outro. No primeiro, o plano de referência da ferramenta é perpendicular à direção de corte (ou direção admitida de corte) e, no segundo, o plano efetivo de referência é perpendicular à direção efetiva de corte. Os planos do sistema efetivo de referências são os seguintes:  Plano de Referência Efetivo (Pre) – é o plano que, passando pelo ponto de corte escolhido, é perpendicular à direção efetiva de corte.  Plano de Corte Efetivo (Pse) – é o plano que, passando pelo ponto de corte escolhido, é tangente à aresta de corte e perpendicular ao plano de referência efetivo (Pre).  Plano Ortogonal Efetivo (Poe) – é o plano que, passando pelo ponto de corte escolhido, é perpendicular aos planos de referência efetivo (Pre) e de corte efetivo (Pse). Os planos auxiliares no sistema efetivo de referência são:  Plano de Trabalho (Pfe) – é o plano que, passando pelo ponto de corte escolhido, contém as direções efetivas de corte e de avanço.
  39. 39. 32  Plano Dorsal Efetivo – é o plano que, passando pelo ponto de corte escolhido, é perpendicular aos planos de referência efetivo (Pre) e de trabalho (Pfe). 3.2. Ângulos da Parte de Corte Os ângulos da parte de corte destinam-se à determinação da posição e da forma da cunha de corte. Os ângulos definidos no sistema de referência da ferramenta são os seguintes:  Ângulo de Posição da Ferramenta (χr) – é o ângulo entre o plano de corte da ferramenta (Ps) e o plano admitido de trabalho (Pf), medido sobre o plano de referência da ferramenta (Pr) (figuras 3.8, 3.10, 3.11 e 3.12).  Ângulo de Posição da Aresta Secundária da Ferramenta (χ’r) – é o ângulo entre o plano de corte secundário da ferramenta (P’s) e o plano admitido de trabalho (Pf) (figuras 3.8, 3.10, 3.11 e 3.12).  Ângulo da Ponta da Ferramenta (εr) – é o ângulo entre os planos principal de corte (Ps) e o secundário de corte (P’s), medido sobre o plano de referência da ferramenta (Pr) (figuras 3.8, 3.10, 3.11 e 3.12).  Ângulo de Inclinação da Ferramenta (λs) – é o ângulo entre a aresta de corte e o plano de referência da ferramenta (Pr), medido sobre o plano de corte da ferramenta (Ps) (figuras 3.10, 3.11 e 3.12).  Ângulo de Saída da Ferramenta (γ) – é o ângulo entre a superfície de saída (Aγ) e o plano de referência da ferramenta (Pr) (figuras 3.9, 3.10, 3.11 e 3.12).  Ângulo de Cunha da Ferramenta (β) – é o ângulo entre as superfícies de saída (Aγ) e de folga (Aα) (figuras 3.9, 3.10, 3.11 e 3.12).  Ângulo de Folga da Ferramenta (α) – é o ângulo entre a superfície de folga (Aα) e o plano de corte da ferramenta (Ps) (figuras 3.9, 3.10, 3.11 e 3.12).
  40. 40. 33 Figura 3.8 – Ângulos de localização das arestas de corte no sistema de referência da ferramenta, para torneamento cilíndrico (esquerda) e torneamento de faceamento (esquerda) (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  41. 41. 34 Figura 3.9 – Ângulos de saída, de cunha e de folga da ferramenta, representados no plano admitido de trabalho (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  42. 42. 35 Figura 3.10 – Ângulos de uma ferramenta de torneamento (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  43. 43. 36 Figura 3.11 – Ângulos da ferramenta numa fresa de faceamento (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  44. 44. 37 Figura 3.12 – Ângulos da ferramenta numa broca helicoidal (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  45. 45. 38 Ângulos da Parte de Corte no Sistema Efetivo de Referância A cada ângulo do sistema de referência da ferramenta corresponde um ângulo do sistema efetivo de referência, cuja definição é similar àquela utilizada para definição dos ângulos do sistema de referência da ferramenta.
  46. 46. 39 4. Forças e Potências de Corte O conhecimento do comportamento e da ordem de grandeza dos esforços de corte nos processos de usinagem é de fundamental importância, pois eles afetam a potência necessária para o corte, que é utilizada para o dimensionamento do motor da máquina- ferramenta, a capacidade de obtenção de tolerâncias apertadas, a temperatura de corte e o desgaste da ferramenta. O método que será utilizado para a determinação dos esforços de corte é empírico, e utiliza-se de coeficientes retirados de procedimentos experimentais. Serão também considerados aspectos relativos à influência do material da peça, material e geometria da ferramenta e condições de usinagem. 4.1. Forças Durante a Usinagem As forças de usinagem são consideradas como uma ação da peça sobre a ferramenta (figura 4.1). A força total resultante que atua sobre a cunha cortante durante a usinagem é chamada de força de usinagem (Fu). A princípio, nem a direção, nem o sentido da força de usinagem, são conhecidos, tornando-se impossível medi-la e conhecer melhor as influências de diversos parâmetros no seu valor. Então, não se trabalha com a força de usinagem propriamente, mas com suas componentes segundo diversas direções conhecidas. Componentes de Fu Inicialmente, Fu é decomposta em uma componente que está no plano de trabalho, chamada força ativa (Ft) e uma componente perpendicular ao plano de trabalho, chamada força passiva ou força de profundidade (Fp).
  47. 47. 40 Figura 4.1 – Força de usinagem e suas componentes na operação de torneamento (Fonte: DINIZ et al, 2000).  Componentes da Força Ativa (Ft) – as componentes da força ativa contribuem para a potência de usinagem, pois estão no plano de trabalho, plano em que os movimentos de usinagem são realizados. São elas: - Força de Corte (Fc) – projeção de Fu sobre a direção de corte - Força de Avanço (Ff) – projeção de Fu sobre a direção de avanço - Força de Apoio (Fap) – projeção de Fu sobre a direção perpendicular à direção de avanço, situada no plano de trabalho (figura 4.2)
  48. 48. 41 Figura 4.2 – Força de usinagem e suas componentes na operação de fresamento (Fonte: DINIZ et al, 2000). 22 fapt FFF  22 ftapt FFF  Quando o ângulo da direção de avanço φ = 90o , no torneamento, por exemplo. 22 fct FFF  22 ftc FFF  - Força Efetiva de Corte (Fe) – projeção de Fu sobre a direção efetiva de corte.  Componente Passiva ou de Profundidade (Fp) – componente de Fu em um plano perpendicular ao de trabalho. Esta componente não contribui
  49. 49. 42 para a potência de usinagem, pois é perpendicular aos movimentos. Porém é importante que se estude o comportamento e o valor desta força, pois ela é responsável pela deflexão elástica da peça e da ferramenta durante o corte e, por isso, é responsável pela dificuldade de obtenção de tolerâncias de forma e dimensão apertadas. Assim, tem-se a seguinte relação entre as forças de usinagem , ativa e passiva: 22 tpu FFF  4.2. Potências de Usinagem Uma máquina ferramenta gera potência para girar seu eixo-árvore e executar o movimento de corte e para executar o movimento de avanço. Assim, pode-se estabelecer as seguintes relações para as potências de corte e de avanço: a) Potência de corte 3 1060   cc c vF P Onde: Pc é a potência de corte, em kW Fc é a força de corte, em N vc é a velocidade de corte, em m.min-1 b) Potência de avanço 6 1060   ff f vF P Onde: Pf é a potência de avanço, em kW Ff é a força de avanço, em N vf é a velocidade de avanço, em mm.min-1
  50. 50. 43 c) Relação entre as potências de corte e de avanço ff cc f c vF vF P P    1000 como; nfvf  e 1000 nd vc    tem-se: f d F F nf nd F F P P f c f c f c       No torneamento tem-se que Fc ~ 4,5.Ff Tomando-se, por exemplo, d = 10 mm e f = 1 mm / volta, que são limites extremos para esta análise, isto é, d é muito pequeno e f é muito grande, a fim de tornar a relação Pc/Pf a menor possível, tem-se: 140105,4  cP Ou seja, a potência de avanço, em uma situação extrema, é 140 vezes menor que a potência de corte. Esta diferença entre a potência de corte e potência de avanço, permite desprezar a potência de avanço no dimensionamento do motor da máquina, naquelas máquinas em que somente um motor é responsável tanto pelo movimento de
  51. 51. 44 avanço quanto pelo movimento de corte. Quando a máquina possui motor independente para o movimento de avanço, verifica-se que este motor é sempre muito menor que o motor responsável pelo movimento de corte. d) Potência fornecida pelo motor (Pm) Nas máquinas operatrizes que apresentam um único motor para o movimento de corte e avanço, como Pc é muito maior que Pf, despreza-se Pf e faz-se:  c m P P  Onde: η é o rendimento da máquina operatriz, 0,6 a 0,8 em máquinas convencionais, que possuem caixa de engrenagens para transmissão do movimento e maior que 0,9 em máquinas CNC, onde o motor tem variação contínua de rotação e a transmissão de movimentos do motor é realizada com poucos (ou nenhum) elementos de transmissão. 4.3. Cálculo da Força de Corte A força de corte pode ser expressa pela relação: AkF sc  Onde: ks é a pressão específica de corte, em N/mm2 A é a área da seção de corte, em mm2 A determinação da pressão específica de corte pode ser realizada através de uma série de métodos, todos estabelecido a partir de dados experimentais, dentre os quais, os de aplicação mais direta e, conseqüentemente, os mais utilizados, são o de Kienzle e o da Sandvik. Ambos os métodos constituem em estabelecer um valor de pressão específica de corte para um valor fixo da espessura de corte (h) e então extrapolar esse valor para qualquer espessura de corte desejada.
  52. 52. 45 Esses valores de ks para espessuras fixas de corte são apresentados, nos catálogos de fabricantes de ferramentas, para cada ferramenta e material ao qual essa ferramenta se dedica. Obviamente, o método Sandvik é o utilizado por esse fabricante, enquanto a maioria dos demais utiliza-se do método de Kienzle. Ferraresi (1977) apresenta outros três métodos para a determinação de ks, o da ASME, da AWS e o de Kronenberg, que atualmente não são tão utilizados, mas é um estudo interessante. No mesmo livro Ferraresi também apresenta de maneira interessante como as diversas variáveis dos processos de usinagem influenciam na variação da pressão específica de corte. Esses itens não foram incluídos nesta apostila propositalmente, para incentivar o aluno a conhecer os livros clássicos sobre o assunto. Método de Kienzle O aumento de ks com a diminuição de h é uma propriedade que se aplica a todo o processo de usinagem, conforme pode ser visto na figura 4.3. Figura 4.3 – Variação da pressão específica de corte com a espessura de corte para diversos processos de usinagem (Fonte: FERRARESI, 1977) A figura 4.4 mostra em que proporções se dá esse aumento para um determinado par peça-ferramenta. O que, quando colocado em uma escala bi-logarítmica, apresenta uma relação linear (figura 4.5), que pode ser expressa pelas equações a seguir.
  53. 53. 46 ou seja ou ainda Onde: ks1 é a pressão específica de corte para uma seção de corte de 1 mm2 , em N/mm2 c é o coeficiente angular da reta da figura 4.5. h é a espessura do cavaco, em mm Figura 4.4 – Variação da pressão específica de corte com a espessura de corte (Fonte: FERRARESI, 1977). Alguns valores para ks1 e c são apresentados no anexo A, que traz a tabela de aplicação para ferramentas do fabricante Iscar Ltd. (www.iscar.com). axby  hckk ss log.loglog 1  c s s h k k 1 
  54. 54. 47 Figura 4.5 – Representação bi-logarítmica da pressão específica de corte em função da espessura de corte (Fonte: FERRARESI, 1977). Exemplo: Deseja-se determinar, pelo método de Kienzle, a pressão específica de corte para a usinagem de um aço ABNT 4140 (equivalente ao SAE 4140, na norma norte-americana) para uma espessura de cavaco (h) de 0,7 mm. Solução: Pela tabela do fabricante Iscar o aço SAE 4140 pode ser classificado tanto no grupo 6 quanto no grupo 7, com ks1 de 1775 e 1675 N.mm-2 , respectivamente. Em casos como esse é prudente utilizar o maior valor, visto que, caso haja erro, esse será direcionado para a segurança da operação. O valor de c para ambos os casos é 0,24. Calculando: 2 24,0 1 .64,1933 7,0 1775   mmN h k k c s s
  55. 55. 48 Método Sandvik O método Sandvik parte de valores tabelados para uma espessura de corte fixa h = 0,4 mm. Para a correção desse valor é utilizada a relação da equação a seguir. Onde: ks(0,4) é a pressão específica de corte para uma espessura de cavaco de 0,4 mm, em N/mm2 Da mesma forma que o método anterior, o anexo B traz uma tabela com valores de ks(0,4) para algumas aplicações de ferramentas Sandvik (www.sandvikcoromant.com ). Exemplo: Determinar, pelo método Sandvik, o valor da pressão específica de corte para a usinagem de um aço ABNT 1045 (equivalente ao SAE 1045, na norma norte americana) para uma espessura de cavaco (h) de 0,5 mm. Solução: Pela tabela da Sandvik Coromant, o valor da pressão específica de corte do aço SAE 1045, para h = 0,4 mm, é 650 N.mm-2 . Calculando:   2 29,029,0 4,0 .27,609 5,0 4,0 .650 4,0 .               mmN h kk ss 4.3.1. Cálculo da Força e da Potência de Corte no Torneamento   29,0 4,0 4,0 .        h kk ss
  56. 56. 49 Para calcular a força e a potência de corte em um processo de torneamento, será utilizada a análise simplificada das grandezas de corte, conforme já foi justificado no capítulo 2. O cálculo pode seguir, conforme apropriado para cada situação, o seguinte roteiro: 4.3.1.1. Cálculo da Área da Seção Transversal do Cavaco Conhecidos o avanço (f) e a profundidade de corte (ap) calcula-se a área da seção transversal do cavaco. faA p . Onde: A é a área de seção transversal do cavaco, em mm2 ap é a profundidade de corte, em mm f é o avanço por revolução, em mm 4.3.1.2. Cálculo da Espessura do Cavaco Conhecido o avanço (f) e o ângulo de posição da ferramenta (χr), calcula-se a espessura do cavaco. rsenfh . Onde: h é a espessura do cavaco, em mm χr é o ângulo de posição da ferramenta, em o
  57. 57. 50 4.3.1.3. Cálculo da Pressão Específica de Corte Conhecida a espessura de corte, e as propriedades do material a ser usinado, a pressão específica de corte pode ser calculada utilizando tanto o método de Kienzle quanto o da Sandvik, conforme 4.3. 4.3.1.4. Cálculo da Força de Corte A força de corte é calculada multiplicando a pressão específica de corte pela área da seção transversal do cavaco. sc kAF . Onde: Fc é a força de corte, em N ks é a pressão específica de corte, em N/mm2 4.3.1.5. Cálculo da Potência de Corte Para calcular a potência de corte é necessário conhecer, além da força de corte, a velocidade de corte. 3 10.60 . cc c vF P  Onde: Pc é a potência de corte, em kW vc é a velocidade de corte, em m/min 4.3.1.6. Cálculo da Potência da Máquina Para calcular a potência que a máquina precisa ter para realizar uma determinada operação é necessário conhecer o seu rendimento.
  58. 58. 51  c m P P  Onde: Pm é a potência da máquina, em kW η é o rendimento, adimensional 4.3.2. Cálculo da Força e da Potência de Corte na Furação 4.3.2.1. Cálculo do Avanço O avanço máximo em um processo de furação deve ser calculado em função da dureza do material e do diâmetro do furo que pretende-se fazer. HB dD f   30 Onde: f é o avanço, em mm/revolução D é o diâmetro final do furo, em mm d é o diâmetro inicial do furo, em mm HB é a dureza Brinell do material, em N/mm2 4.3.2.2. Cálculo do Avanço por Gume Como uma broca é uma ferramenta multicortante , para poder calcular a espessura do cavaco é necessário calcular o avanço por gume. z f fz  Onde: fz é o avanço por gume, em mm/revolução z é o número de gumes da ferramenta
  59. 59. 52 4.3.2.3. Cálculo da Espessura do Cavaco Para o cálculo da espessura do cavaco, o ângulo que deve ser considerado é igual à metade do ângulo da ponta da ferramenta.        2 .  senfh z Onde: h é a espessura do cavaco, em mm ε é o ângulo da ponta da ferramenta, em o O ângulo da ponta da ferramenta para uma broca é, normalmente, igual a 118o . 4.3.2.4. Cálculo da Força de Corte sc kf dD F .. 2   4.3.2.5. Cálculo do Momento Torçor Como uma broca é uma ferramenta rotativa, deve ser calculado o seu momento torçor para do cálculo da potência. 4000 . dD FM c   Onde: M é o momento torçor, em N.m
  60. 60. 53 4.3.2.6. Cálculo da Potência de Corte 3 10.60 .nM Pc  Onde: n é a velocidade de rotação, em RPM 4.3.2.7. Cálculo da Potência da Máquina  c m P P  Onde: Pm é a potência da máquina, em kW η é o rendimento, adimensional 4.3.3. Cálculo da Força e Potência de Corte no Fresamento Os dois tipos principais de fresamento são o frontal e o cilíndrico tangencial. 4.3.3.1. Fresamento Frontal A figura 4.6 mostra as dimensões características em um processo de fresamento frontal.
  61. 61. 54 Figura 4.6 – Dimensões características no fresamento frontal (Fonte: WITTE, 1998). 4.3.3.1.1. Cálculo da Largura de Usinagem sin pa b  Onde: b é a largura de usinagem, em mm ap é a profundidade de usinagem, em mm χ é o ângulo de entrada, em o
  62. 62. 55 4.3.3.1.2. Cálculo do Ângulo de Penetração 12  s  2 cos 1 1 D l   2 cos 2 2 D l  Onde: φs é o ângulo de penetração, em o l1 é a posição da fresa em relação ao centro da usinagem, em mm l2 é a posição da fresa em relação ao centro da usinagem, em mm D é o diâmetro da fresa, em mm 4.3.3.1.3. Cálculo da Espessura Média de Usinagem  21 coscossin.. 3,57    z s m fh Onde: hm é a espessura média de usinagem, em mm 4.3.3.1.4. Cálculo da Área da Seção Transversal do Cavaco mhbA . Onde: A é a área da seção transversal do cavaco, em mm2
  63. 63. 56 4.3.3.1.5. Cálculo da Força de Corte por Dente scz kAF . Onde: Fcz é a força de corte por dente, em N 4.3.3.1.6. Cálculo do Número de Dentes que Participam da Usinagem   360 . s e z z  Onde: z é o número de dentes da fresa ze é o número de dentes que participam da usinagem 4.3.3.1.7. Cálculo da Potência de Corte 3 10.60 .. ccze c vFz P  Onde: Pc é a potência de corte, em kW 4.3.3.2. Fresamento Cilíndrico Tangencial As figuras 4.7 e 4.8 mostram as dimensões características no cálculo do fresamento cilíndrico tangencial.
  64. 64. 57 Figura 4.7 – Dimensões características no fretamento cilíndrico tangencial (Fonte: WITTE, 1998). 4.3.3.2.1. Cálculo do Ângulo de Penetração  2 1cos D ap s  4.3.3.2.2. Cálculo da Espessura Média do Cavaco  2 .. 3,57 D a fh p z s m  
  65. 65. 58 Figura 4.8 – Representação do cavaco tipo vírgula (Fonte: WITTE, 1998). 4.3.3.2.3. Cálculo da Área da Seção Transversal do Cavaco mhbA . 4.3.3.2.4. Cálculo da Força de Corte por Dente scz kAF . 4.3.3.2.5. Cálculo do Número de Dentes que Participam da Usinagem   360 . s e z z 
  66. 66. 59 4.3.3.2.6. Cálculo da Potência de Corte 3 10.60 .. ccze c vFz P 
  67. 67. 60 5. Mecanismo de Formação de Cavaco A formação de cavaco influencia diversos fatores ligados à usinagem, tais como o desgaste da ferramenta, os esforços de corte, o calor gerado na usinagem, a penetração do fluido de corte, etc. Assim, estão envolvidos com o processo de formação de cavaco aspectos econômicos e de qualidade da peça, a segurança do operador, a utilização adequada da máquina-ferramenta, etc. O corte dos materiais envolve o cisalhamento concentrado ao longo de um plano chamado plano de cisalhamento (zona primária de cisalhamento). O ângulo entre o plano de cisalhamento e a direção de corte é chamado de ângulo de cisalhamento (Φ). Quanto maior a deformação do cavaco sendo formado, menor o ângulo de cisalhamento e maiores são os esforços de corte. Esta influência é marcante na usinagem de materiais dúcteis, muito suscetíveis à deformação. Figura 5.1 – Esquema da formação do cavaco mostrando o plano de cisalhamento (Fonte: DINIZ et al, 2000). A parte de trás do cavaco é rugosa devido ao fato da deformação não ser homogênea. Isto é devido à presença de pontos de baixa resistência ou de concentração de tensão presente no metal sendo usinado. Um plano de cisalhamento passando através de um ponto de concentração de tensão, causa deformação a um valor de tensão mais baixo que aquela que deforma um ponto que não está sob concentração de tensão.
  68. 68. 61 Nas condições normais de usinagem a formação de cavo se processa da seguinte forma: a) uma pequena porção de material ainda solidária à peça é recalcada (deformação plástica e elástica) contra a superfície de saída da ferramenta; b) esta deformação plástica aumenta progressivamente, até que as tensões de cisalhamento se tornem suficientemente grandes, de modo a se iniciar um deslizamento entre a porção de material recalcada e a peça; c) continuando a penetração da ferramenta, haverá uma ruptura (cisalhamento) parcial ou completa do cavaco, acompanhando o plano de cisalhamento; d) devido ao movimento relativo entre a ferramenta e a peça, inicia-se um escorregamento da porção de material deformada e cisalhada sobre a superfície de saída da ferramenta. Enquanto isso, uma nova porção de material está se formando e cisalhando, a qual irá também escorregar sobre a superfície de saída da ferramenta, repetindo o fenômeno. Conclui-se que o fenômeno de formação de cavaco é periódico. Essa periodicidade foi comprovada experimentalmente por meio da medida da freqüência e da amplitude de variação de intensidade da força de usinagem. Na usinagem de materiais dúcteis, que tem grande zona plástica e, por isso, deformam-se bastante antes da ruptura, essas quatro fases são bem pronunciadas. Já em materiais frágeis, que possuem zona plástica bem pequena e, por isso, rompem-se com pouca deformação plástica, as fases “a” e “b” são bem curtas, na fase “c” a ruptura do cavaco é total e a fase “d” é praticamente inexistente, já que o pequeno cavaco formado pula fora da região de corte, não atritando com a superfície de saída da ferramenta. 5.1. A Interface Cavaco-Ferramenta Na interface cavaco-superfície de saída da ferramenta, existe uma zona de aderência e, logo após esta, uma zona de escorregamento entre cavaco e ferramenta (figura 5.2). O movimento do cavaco na zona de aderência ocorre por cisalhamento do
  69. 69. 62 material do cavaco. Bem próximo da interface é formada uma zona de cisalhamento intenso (chamada de zona de fluxo). Ali existe uma camada de material estacionário na interface cavaco-ferramenta e a velocidade de saída do cavaco vai aumentando a medida que se percorre sua espessura, até que se chega ao fim da zona de fluxo, onde acaba o cisalhamento e a velocidade de saída do cavaco fica constante. Esta zona de fluxo tem uma espessura da ordem de 0,01 a o,08 mm, isto é, depois disso a velocidade de saída do cavaco se estabiliza (figura 5.3). Na zona de aderência, a área de contato entre cavaco e ferramenta é total, isto é a área real de contato é igual à aparente. Ao lado da zona de aderência acontece uma zona de escorregamento, como mostrado na figura 5.2. Ali o contato se dá apenas nos picos das irregularidades das duas superfícies em contato. A zona de aderência ocorre devido às altas tensões de compressão, às altas taxas de deformação e à pureza do material da peça em contato com a ferramenta. Figura 5.2 – Área de contato cavaco-ferramenta (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  70. 70. 63 Figura 5.3 – Zona de fluxo dentro do cavaco (Fonte: DINIZ et al, 2000). As condições na interface, de escorregamento ou aderência, dependem do par ferramenta-peça, do tempo de usinagem e da velocidade de corte. As condições de aderência são favorecidas por altas velocidades de corte, longos tempos de usinagem e pequenas diferenças entre o material da peça e da ferramenta. Quanto menor o ângulo de saída da ferramenta, maior o comprimento de contato cavaco-superfície de saída da ferramenta e, com isso, maior zona de aderência. Quanto maior a zona de aderência, maiores a temperatura de corte e a força de usinagem. 5.2. Controle da Forma do Cavaco Diversos problemas práticos têm relação com a forma do cavaco produzido na usinagem, já que esta tem implicações nas seguintes áreas: 1 – Segurança do Operador – um cavaco longo, em forma de fita pode, ao atingir o operador, machucá-lo seriamente. 2 – Possível Dano à Ferramenta e à Peça – outra vez, um cavaco em forma de fita, pode se enrolar à peça, danificando seu acabamento superficial. Além do dano à peça, um cavaco em fita pode também prejudicar a ferramenta. Em operações de torneamento, por
  71. 71. 64 exemplo, quando o cavaco se enrola sobre a peça, ele tenta penetrar entre a interface peça-ferramenta, podendo causar a quebra da ferramenta. Em operações de furação um cavaco em fita pode entupir o canal helicoidal da broca e causar também sua quebra. 3 – Manuseio e Armazenagem do Cavaco – logicamente, um cavaco longo em forma de fita, é muito mais difícil de manipular e requer um volume muito maior para ser armazenado, que um cavaco curto com o mesmo peso. 4 – Forças de Corte, Temperatura e Vida da Ferramenta – ao se procurar deformar mais o cavaco visando aumentar sua capacidade de quebra, pode-se aumentar bastante os esforços de corte, com conseqüente aumento da temperatura e diminuição da vida da ferramenta. 5.3. Classificação dos Cavacos Os cavacos são classificados de diversas maneiras. Uma das mais didáticas é aquela que classifica o cavaco em tipos e formas. Os tipos de cavacos são: a) Cavaco contínuo – constituído de lamelas justapostas numa disposição contínua. A distinção das lamelas não é nítida. Forma-se na usinagem de materiais dúcteis, onde o ângulo de saída deve assumir valores elevados. b) Cavaco de cisalhamento – apresenta-se constituído de lamelas justapostas bem distintas. c) Cavaco de ruptura – apresenta-se constituindo de fragmentos arrancados da peça usinada. As formas de cavaco são (figura 5.4): a) Cavaco em fita b) Cavaco helicoidal c) Cavaco espiral d) Cavaco em lascas ou pedaços O cavaco em fita carrega consigo todos os inconvenientes já citados anteriormente. As outras formas de cavaco não tem inconvenientes mais sérios, dependendo do tipo de
  72. 72. 65 processo utilizado. Assim, por exemplo, o cavaco em lascas é preferido quando houver pouco espaço disponível, ou quando o cavaco deve ser removido por fluido refrigerante sob pressão, como no caso da furação profunda. Em fresamento frontal de faceamento, quando a remoção de material é elevada, prefere-se a formação de cavacos helicoidais, pois estes saltam fora do bolsão de armazenamento de cavaco entre os dentes da fresa, não tendo o risco de entupimento deste espaço. Figura 5.4 – Formas do cavaco: a) em fita; b) helicoidal; c) espiral; d) em lascas (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  73. 73. 66 5.4. Alteração da Forma do Cavaco Geometricamente a forma do cavaco é determinada pela combinação de: a) curvatura vertical (ω); b) curvatura lateral (θ) e c) ângulo do fluxo do cavaco (η) como mostrado na figura 5.5. Figura 5.5 – Variação da forma de cavaco através da curvatura vertical, curvatura lateral e do ângulo de inclinação do cavaco (Fonte: DINIZ et al, 2000). A melhor maneira de se promover a curvatura vertical é a colocação de um obstáculo no caminho do fluxo do cavaco, o qual é chamado de quebra-cavacos. O aumento da deformação do material sendo usinado via diminuição dos ângulos de saída e/ou inclinação da ferramenta e o aumento do atrito cavaco-ferramenta, também promove a curvatura vertical. A curvatura lateral do cavaco ocorre quando há um gradiente de velocidade de corte ao longo da aresta de corte, como é o caso da furação e do torneamento de peças de pequeno diâmetro com alta profundidade de corte. Ela também pode ser induzida pelo aumento da relação avanço / profundidade de usinagem quando o ângulo de saída é pequeno. É interessante que se promova a curvatura do cavaco a fim de se conseguir sua quebra e assim evitar a formação de cavacos em fita. Diversos tipos de quebra de cavacos podem ser observadas (figura 5.6), isto é, o cavaco pode se dobrar verticalmente e se quebrar ao atingir a peça (5.6-a), pode se dobrar verticalmente e se enrolar sobre si
  74. 74. 67 mesmo quando tocar a peça (5.6-b), pode se dobrar verticalmente e lateralmente e se quebrar ao atingir a superfície de folga da ferramenta (5.6-c) ou se dobrar lateralmente e se quebrar quando atingir a superfície da peça que ainda não foi usinada. Para facilitar a quebra do cavaco pode-se: a) diminuir a deformação limite de ruptura, aumentando a fragilidade do material através de tratamentos térmicos ou de trabalho a frio do material (encruamento). Partículas de MnS e Pb em aços de usinabilidade melhorada também tem uma ação de aumento da fragilidade do material. b) aumentar a espessura do cavaco através do aumento do avanço ou do ângulo de posição da ferramenta. Quanto maior a espessura do cavaco, mais flexíveis eles são e, assim, se tornam mais difíceis de quebrar. c) diminuir o raio de curvatura do cavaco, através da diminuição do ângulo de saída ou inclinação, ou da colocação de quebra-cavacos. d) limitar o espaço para o fluxo do cavaco.
  75. 75. 68 Figura 5.6 – Diferentes tipos de quebra de cavacos (Fonte: DINIZ et al, 2000). Com relação à influência da velocidade de corte, da profundidade de usinagem e da geometria da ferramenta na capacidade de quebra do cavaco, pode-se dizer o seguinte:
  76. 76. 69  em baixas velocidades de corte os cavacos, geralmente, apresentam boa curvatura natural e, portanto, não costumam apresentar problemas com relação à quebra. Quando as velocidades de corte aumentam e atingem a faixa que normalmente é utilizada quando se utiliza ferramentas mais resistentes ao desgaste, o problema da quebra de cavaco passa a ter muita importância.  grandes profundidades de usinagem auxiliam o aumento da capacidade de quebra de cavaco.  a relação entre raio de ponta e profundidade de usinagem influencia na quebra do cavaco, como mostrado na figura 5.8. Quando a relação ap/r é pequena, o cavaco se dobrará lateralmente, com grande ângulo de fluxo, formando um cavaco que não se quebra com facilidade. Quando esta relação é grande, além de curvatura lateral, haverá também curvatura vertical do cavaco e ele se dobrará no sentido de encontrar a superfície de folga da ferramenta e lá se quebrar. Figura 5.7 – Condição limite para a quebra do cavaco (Fonte: DINIZ et al, 2000). A mudança das condições de usinagem com o fim de se obter uma forma adequada de cavaco, deve ser tanto quanto possível evitada, pois estas são fixadas levando-se em consideração requisitos técnicos e econômicos do processo.
  77. 77. 70 Figura 5.8 – Influência da relação ap/r na curvatura e quebra do cavaco (Fonte: DINIZ et al, 2000). Assim, o meio mais adequado para se obter a quebra do cavaco é a utilização de elementos de forma colocados na superfície de saída da ferramenta, denominados quebra-cavacos. Os quebra-cavacos pode ser moldados na superfície de saída da ferramenta ou postiços (figura 5.9). Figura 5.9 – Quebra cavacos postiços e moldados na superfície de saída (Fonte: DINIZ et al, 2000). As dimensões do quebra-cavacos estão intimamente relacionadas com a espessura, velocidade e profundidade de usinagem, além do material usinado. Esta dependência diminui a versatilidade do emprego da ferramenta com quebra-cavacos moldado na superfície de saída. Outra desvantagem deste tipo de quebra-cavacos é que ele dificulta ou impossibilita a afiação da ferramenta. Mesmo assim, ferramentas com este tipo de quebra-cavacos são bastante utilizadas, devido ao fato de que em uma produção seriada ou semi-seriada, existem muitas peças a serem usinadas em acabamento e muitas em desbaste e, em geral, as máquinas podem ter em seu carro porta-ferramentas mais do que uma ferramenta. Além disso, o quebra-cavacos postiço exige que o operador
  78. 78. 71 o coloque na posição correta sobre a superfície de saída da ferramenta, posição esta dependente do avanço e da profundidade de usinagem utilizadas. Isto nem sempre é realizado corretamente, o que faz com que, algumas vezes, o cavaco não se quebre adequadamente, mesmo com a presença de quebra-cavacos postiço. Outro ponto desvantajoso para o quebra-cavacos postiço é que ele também se desgasta e precisa ser substituído de tempos em tempos, sua utilização implica em mais um item de estoque e muitas vezes, por ser pequeno, é de difícil manipulação pelo operador. Existem diversas geometrias de pastilhas intercambiáveis com quebra-cavacos moldados na superfície de saída destinadas a quebrar o cavaco em uma determinada faixa de condições de usinagem. A cada uma dessas geometrias corresponde um gráfico, onde se tem a região de avanço-profundidade de corte típica para uma dada ferramenta. Por isso, por exemplo, uma ferramenta com quebra-cavacos moldado projetada para quebrar o cavaco em operações de desbaste médio, não quebra o cavaco se for utilizada em operações de acabamento e nem em operações de desbaste, e vice-versa. Em muitas operações de usinagem a forma do cavaco é instável, variando muito facilmente mesmo quando as condições do corte são mantidas constantes. As principais razões para que isto aconteça são: a) Variação da força agindo no cavaco – com o progresso do corte o peso do cavaco aumenta constantemente e o centro de gravidade muda de posição. Estas forças criam uma distribuição de tensão não uniforme na raiz do cavaco. Durante o corte o material na raiz do cavaco está em estado plástico e uma pequena mudança na distribuição de tensão muda a direção de máxima tensão e deformação de cisalhamento. Então um cavaco de geometria diferente é formado. b) Fenômenos transientes no início do corte – antes do corte, a superfície da ferramenta está coberta com lubrificante ou camadas de oxigênio e outros materiais. Com o progresso do corte estes materiais são removidos e o coeficiente de atrito, a espessura do cavaco, o raio da curvatura do cavaco e a temperatura de corte aumentam gradualmente, o que causa a mudança da forma do cavaco. c) Variação da geometria da ferramenta – é praticamente impossível conseguir geometrias idênticas em ferramentas de usinagem. A geometria também varia durante o corte, devido ao desgaste e ao lascamento da ferramenta.
  79. 79. 72 d) Não uniformidade do material da peça – o material usado na indústria não é muito uniforme no que concerne à sua composição química e quantidade de trabalho a frio, o que leva à variação do ângulo de cisalhamento e conseqüentemente da forma do cavaco. Além disso, em muitas operações de usinagem, a camada a ser cortada é encruada em diferentes níveis pela operação anterior. 5.5. Temperatura de Corte Praticamente toda a energia mecânica associada à deformação do cavaco se transforma em energia térmica (calor). As fontes geradoras de calor no processo de usinagem são a deformação e o cisalhamento do cavaco no plano de cisalhamento, o atrito do cavaco com a ferramenta e o atrito da ferramenta com a peça. O percentual de calor total devido à cada uma das fontes acima variam com o tipo de usinagem, o material da peça e da ferramenta, as condições de usinagem e a forma da ferramenta. Porém, numa primeira aproximação, pode-se dizer que a deformação e o cisalhamento do cavaco no plano de cisalhamento são as principais fontes geradoras de calor, seguida pelo atrito do cavaco com a superfície de saída da ferramenta e depois pelo atrito peça-superfície de folga da ferramenta. Figura 5.10 – Variação da distribuição da energia de corte com a velocidade de corte (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  80. 80. 73 Este calor é dissipado através do cavaco, da peça, da ferramenta e do fluido de corte. O percentual de calor gerado que é dissipado por cada um dos meios citados também varia com os diversos parâmetros de usinagem. A figura 5.10 apresenta a variação destas proporções em função da velocidade de corte. Pode-se verificar nesta figura que a quantidade de calor que é dissipado pela ferramenta é pequena. Porém como a região da ferramenta que recebe este calor é reduzida e não muda com o tempo, como acontece com a peça, desenvolvem-se ali altas temperaturas (até 1200 o C – figura 5.11) que contribuem para o desgaste da ferramenta. O calor que vai para a peça pode resultar em dilatação térmica da mesma e, portanto, dificuldades na obtenção de tolerâncias apertadas, além de se correr o risco de danificação da estrutura superficial do material. No caso do processo de retificação, este fator é crítico, pois além de ser um processo que gera altas quantidades de calor, muitas vezes é realizado depois da peça ter sido endurecida por tratamento térmico, o que faz com que uma danificação da estrutura superficial da peça seja um acontecimento com sérias conseqüências. Além disso, a retificação é geralmente a última operação em uma peça usinada e, por isso, visa alcançar tolerâncias apertadas, o que, como já visto, é difícil de ser obtido quando a peça recebe uma quantidade muito grande de calor. Por isso, a vazão de fluido de corte na retificação precisa ser muito maior que em outros processos. Figura 5.11 – Distribuição típica de temperatura na ponta de uma ferramenta de metal duro (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  81. 81. 74 O percentual do calor total que é dissipado pelo cavaco aumenta com o aumento da velocidade. Em velocidades de corte muito altas, a maior parte do calor é carregado pelo cavaco, uma pequena quantia pela peça e uma quantidade menor ainda pela ferramenta. Com relação à influência do material da peça nas porcentagens de calor dissipado por cada meio, quão melhor condutor de calor for o material da peça, mais calor é dissipado por ela. A quantidade de calor gerada na usinagem aumenta com a velocidade de corte, avanço e profundidade de usinagem. Este aumento da geração de calor e conseqüentemente da temperatura, acelera e é acelerado pelo desgaste da ferramenta, o qual aumenta o valor do coeficiente de atrito e conseqüentemente a força de corte. A temperatura da zona de corte também é influenciada pelo comprimento de contato entre cavaco e ferramenta e pelos esforços de corte. Por outro lado, para aumentar a produtividade do processo deve-se aumentar a velocidade, o avanço e a profundidade de usinagem. Portanto, deve-se tentar todos os meios para se diminuir a temperatura gerada ou para se conviver com ela sem grandes danos, sem perda de produtividade do processo. Os meios que atualmente têm sido tentados com estes fins são:  desenvolvimento de materiais com usinabilidade melhorada  desenvolvimento de materiais de ferramentas com maior resistência ao calor  utilização de fluidos de corte que além do efeito refrigerante possuam também efeito lubrificante.
  82. 82. 75 6. Desgaste de Ferramentas Desgastes e avarias em ferramentas de usinagem podem se apresentar sob diversas formas e devidos a diversos motivos. Neste capítulo serão vistas algumas das maneiras como isso pode ocorrer bem como algumas ações que podem ser tomadas para procurar minimizar a sua ocorrência e os seus efeitos. Os tipos de desgaste mais comuns são os seguintes: a) Desgaste Frontal ou de Flanco – ocorre na superfície de folga da ferramenta, causado pelo contato entre ferramenta e peça. É o tipo de desgaste mais comum, todo processo de usinagem causa desgaste frontal. Ocasiona deterioração do acabamento superficial da peça e, por modificar totalmente a forma da aresta de corte original, faz com que a peça mude de dimensão, podendo sair de sua faixa de tolerância. É incentivado pelo aumento da velocidade de corte. Figura 6.1 – Desgaste de Flanco (Fonte: DINIZ et al, 2000). b) Desgaste de Cratera – é o tipo de desgaste que ocorre na superfície de saída da ferramenta, causado pelo atrito entre ferramenta e cavaco. O crescimento do desgaste de cratera resulta na quebra da ferramenta, quando tal desgaste se encontra com o desgaste frontal.
  83. 83. 76 Figura 6.2 – Desgaste de Cratera (Fonte: DINIZ et al, 2000). c) Deformação Plástica da Aresta de Corte – é um tipo de avaria da ferramenta que é devido ao excesso de pressão aplicada à ponta da ferramenta, somado à alta temperatura nesse local. A deformação plástica da aresta de corte faz com que a mesma tome uma forma bem típica, conforme pode ser visto na figura 6.3. Tais deformações provocam deficiência do controle de cavacos e deterioração do acabamento superficial da peça. Figura 6.3 – Deformação plástica da aresta de corte (Fonte: DINIZ et al, 2000). O aumento desta deformação pode acabar provocando a quebra da aresta de corte. A utilização de uma ferramenta com maior dureza a quente e maior resistência à deformação plástica pode evitar essa ocorrência. Outra medida que pode ser tomada é a mudança das condições de usinagem, visando a redução dos esforços e da temperatura de corte.
  84. 84. 77 d) Lascamento - ao contrário das desgastes frontal e de cratera, que retiram continuamente partículas muito pequenas da ferramenta, no lascamento partículas muito maiores são retiradas de uma só vez. Ocorrem principalmente em ferramentas com material frágil e/ou quando a aresta de corte é pouco reforçada. Prejudicam o acabamento superficial da peça e, se continuam crescendo, provocam a quebra da ferramenta. Figura 6.4 – Lascamento (Fonte: DINIZ et al, 2000). e) Trincas – são causadas pela variação da temperatura e/ou pela variação dos esforços mecânicos. Quando as trincas têm origem térmica, elas ocorrem perpendicularmente à aresta de corte (figura 6.5) e quando têm origem mecânica são paralelas à aresta (figura 6.6). Alguns fatores que geram variação de temperatura ou de esforços mecânicos na usinagem são: corte interrompido, acesso irregular do fluido de corte, variação da espessura do corte e solda da pastilha no porta-ferramentas. Figura 6.5 – Trincas térmicas (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  85. 85. 78 Este último ocorre pois o coeficiente de dilatação térmica do metal duro é aproximadamente a metade do coeficiente do aço, que é o material do porta- ferramentas. Assim, quando a interface pastilha-porta-ferramentas atinge temperatura alta, que tenta dilatar os dois corpos, o aço se dilata mais que o metal duro, gerando tensões na interface que levam à trinca do material mais frágil, o metal duro. Figura 6.6 – Trincas mecânicas (Fonte: DINIZ et al, 2000). O crescimento das trincas leva à quebra da ferramenta. Para se evitar a formação de trincas pode-se, dentre outros procedimentos, escolher uma ferramenta mais tenaz, diminuir o avanço por dente e posicionar a fresa mais corretamente em relação à peça (estes dois últimos no processo de fresamento). f) Quebra – como foi visto anteriormente, todos os desgastes e avarias da ferramenta ao crescerem podem gerar a quebra da ferramenta. Algumas vezes, porém, a quebra pode ocorrer inesperadamente devido a alguns fatores como: ferramenta muito dura, carga excessiva sobre a ferramenta, raio de ponta, ângulo de ponta ou ângulo de cunha pequenos, corte interrompido, parada instantânea do movimento de corte, entupimento dos canais de expulsão de cavacos ou dos bolsões de armazenamento dos cavacos, etc.. A quebra da ferramenta ocasiona não somente dano na ferramenta, mas também no porta- ferramentas e na própria peça.
  86. 86. 79 Figura 6.7 – Quebra em ferramenta (Fonte: DINIZ et al, 2000). 6.1. Medição dos Desgastes da Ferramenta Convencionou-se medir os desgastes no plano ortogonal da ferramenta. Distinguem-se os desgastes na superfície de saída e na superfície de folga da ferramenta. Na superfície de saída tem-se os desgastes: profundidade de cratera (KT), largura da cratera (KB) e distância do centro da cratera à aresta de corte (KM). Na superfície de folga mede-se a largura do desgaste de flanco (VB), que é o valor médio do desgaste na superfície de folga a a largura máxima do desgaste de flanco (VBmáx). Mede-se ainda o valor dos desgastes gerados na superfície de folga pelos entalhes (VBN e VBC).
  87. 87. 80 Figura 6.8 – Desgastes da ferramenta (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  88. 88. 81 Tabela 6.1 – Causas e ações para minimização de avarias e desgastes da ferramenta (Fonte: DINIZ et al, 2000).
  89. 89. 82 6.2. Mecanismos Causadores do Desgaste da Ferramenta Vários são os fenômenos causadores dos desgastes da ferramenta. Os principais deles são: a) Aresta Postiça de Corte Figura 6.9 – Aresta postiça de corte (Fonte: DINIZ et al, 2000). Muitas vezes durante a usinagem pode-se formar, na superfície de contato entre o cavaco e a superfície de saída da ferramenta, uma camada de cavaco que, permanecendo aderente à aresta de corte, modifica seu comportamento com relação à força de corte, acabamento superficial da peça e desgaste da ferramenta. Em baixas velocidades de corte, a parte inferior do cavaco em contato com a ferramenta, sob pressão de corte na zona de aderência, mantém este contato sem movimento relativo por um espaço de tempo suficiente para se soldar à ferramenta, separando-se de outras porções de cavaco e permanecendo presa à superfície de saída. Com o posterior fluxo de mais cavaco sobre esta camada de cavaco já presa à ferramenta, ela se deforma e se encrua, aumentando sua resistência mecânica e fazendo as vezes de aresta de corte. A aresta postiça de corte tende a crescer gradualmente até que em um certo momento rompe-se bruscamente, causando uma perturbação dinâmica. Parte da aresta postiça que
  90. 90. 83 se rompe é carregada com o cavaco e parte adere à peça, prejudicando sensivelmente o acabamento superficial da mesma. Ao se romper, a aresta postiça arranca partículas da superfície de folga da ferramenta, gerando um desgaste frontal muito grande, mesmo em velocidades de corte baixas. A superfície de saída da ferramenta, por outro lado, é protegida fazendo com que o desgaste de cratera seja mínimo. A força de corte diminui com a formação da APC, pois o ângulo efetivo de saída aumenta. Figura 6.10 – Desgaste Frontal X Velocidade de Corte (Fonte: DINIZ et al, 2000). A medida que a velocidade de corte cresce, a temperatura de corte também cresce. Quando a temperatura de recristalização do material do cavaco é ultrapassada, não há mais formação de aresta postiça, pois com a formação de novos grãos no cavaco não existe mais a possibilidade de encruamento do mesmo, fator fundamental para a formação da APC. Assim, como pode ser visto na figura 6.10, existe um valor de velocidade de corte acima do qual não ocorre mais a formação da aresta postiça de corte, chamada velocidade crítica (ponto m na figura 6,10). Tal velocidade está relacionada com diversos fatores de usinagem. Todas as variações que podem ser feitas no processo e que aumentam a temperatura de corte, tais como aumento do avanço e da profundidade de usinagem, diminuição dos ângulos de saída e de inclinação, retirada da refrigeração, etc., tendem a diminuir a velocidade crítica. Além disso, a medida em que a ductilidade do material da peça diminui, decresce também a ocorrência da aresta postiça, pois os cavacos ficam mais curtos e atritam menos com a superfície de saída da ferramenta.
  91. 91. 84 A forma do desgaste de flanco na presença da aresta postiça é diferente da forma que se observa normalmente. Enquanto nas velocidades de corte maiores, onde não há aresta postiça de corte, a marca do desgaste é aproximadamente paralela à direção de corte, ela se apresenta inclinada em relação à direção de corte quando a usinagem se processa na presença da aresta postiça de corte (figura 6.11). Figura 6.11 – Desgaste frontal com e sem a presença da aresta postiça de corte (Fonte: DINIZ et al, 2000). b) Abrasão Mecânica A abrasão mecânica, ou atrito, é uma das principais causas de desgaste da ferramenta. Tanto o desgaste frontal quanto o desgaste de cratera podem ser gerados pela abrasão, porém ela se faz mais proeminente no desgaste frontal, já que a superfície de folga atrita com um elemento rígido que é a peça, enquanto a superfície de saída atrita com um elemento flexível que é o cavaco. O desgaste gerado pela abrasão é incentivado pela presença de partículas duras no material da peça e pela temperatura de corte, que reduz a dureza da ferramenta. Assim, quanto maior a dureza a quente da ferramenta, maior sua resistência ao desgaste abrasivo. Às vezes, partículas duras arrancadas de outra região da ferramenta por aderência ou por abrasão e arrastadas pelo movimento da peça, causam o desgaste abrasivo em uma área adjacente da ferramenta.

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