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PROCESSOS DE USINAGEM AULA 2 Prof. Claudimir José Rebeyka 2 CONVERSA INICIAL A cinemática é a parte da Física que estuda os movimentos através de uma série de equações aplicadas a diferentes tipos de movimento. Quando os conceitos da Física são empregados nos processos de usinagem, é possível explicar os movimentos de máquinas e ferramentas utilizadas nos processos de fabricação pelas formulações da cinemática. Todo processo de usinagem convencional vai ocorrer somente se houver movimento relativo entre a peça e a ferramenta. É justamente o movimento da ferramenta de corte sobre a peça que vai produzir a usinagem e gerar o cavaco. As máquinas se movimentam para possibilitar a fabricação de peças. Podemos facilmente pensar que, para usinar uma peça corretamente, será necessário utilizar a velocidade adequada para cada operação de usinagem. Nesse contexto, definimos o conceito de velocidade de corte: "a razão entre o espaço que a ferramenta percorre cortando um material em um determinado tempo" (ABNT, 1989). Portanto, o processo de usinagem será operado com a velocidade e a ferramenta adequadas. Grande parte dos processos de fabricação será realizada com a aplicação de ferramentas de geometria definida. Os fabricantes de ferramentas examinam detalhadamente as formas geométricas das ferramentas de corte para obter o melhor rendimento nas diferentes condições de produção. Isso quer dizer que cada ferramenta deverá ter uma ponta de corte com geometria adequada à operação de usinagem. Agora, poderíamos pensar: será que a aplicação de ferramentas com geometria adequada realmente facilita a execução do processo de usinagem? Como a geometria da ferramenta pode favorecer a quebra do cavaco durante a usinagem? TEMA 1 – MOVIMENTOS QUE RESULTAM NA FORMAÇÃO DE CAVACOS Ferraresi (1970) definiu os três tipos de movimentos que resultam na remoção de cavacos, que veremos a seguir: 1. Movimento de corte. 2. Movimento de avanço. 3. Movimento efetivo. 3 Na figura a seguir, podemos observar a indicação desses movimentos, suas direções e sentidos no processo de torneamento. Figura 1 – Movimentos que resultam na remoção de cavacos Fonte: Adaptado de Ferraresi, 1970, p. 3. Movimento de corte é o movimento entre a peça e a ferramenta que, sem o movimento de avanço, origina uma única retirada do cavaco. Movimento de avanço é o movimento entre a peça e a ferramenta que, juntamente com o movimento de corte, origina a retirada contínua de cavaco. Movimento efetivo é o movimento resultante dos de corte e avanço realizados ao mesmo tempo. Analisando as operações de usinagem, poderemos concluir que o que vai produzi-la é o movimento efetivo de corte. Não adianta haver o movimento de corte sem o avanço da ferramenta, e o movimento efetivo de corte é uma soma dos dois anteriores. Nas figuras a seguir, podemos observar os movimentos de corte nas operações de furação e fresamento: 4 Figura 2 – Movimentos de corte na operação de furação Fonte: Adaptado de Ferraresi, 1970, p. 2. Figura 3 – Movimentos de corte na operação de fresamento Fonte: Adaptado de Ferraresi, 1970, p. 2. Ainda é necessário considerar que, nos processos de usinagem, existem dois tipos de movimentos que não geram cavacos: 1. Aproximação e afastamento de ferramentas. 2. Ajuste e correção da posição da ferramenta para usinagem. TEMA 2 – RELAÇÃO ENTRE VELOCIDADE DE CORTE E RPM A velocidade de corte é a razão do espaço que a ferramenta percorre cortando um material em determinado tempo (ABNT, 1989). A unidade de medida é em metros/minutos (m/min). A velocidade de corte depende de uma série de fatores, como: 5 tipo de material da peça; tipo de material da ferramenta; tipo de operação a ser realizada; condições da refrigeração; condições de estabilidade da máquina; condições de fixação da peça. Os fabricantes de ferramentas fazem testes de usinagem com diferentes materiais e diversas operações de fabricação, a fim de determinar as melhores velocidades de corte para cada caso específico. Os valores de velocidade de corte são obtidos experimentalmente e tabelados pelos fabricantes de ferramentas, conforme exemplo da tabela a seguir. Tabela 1 – Velocidades de corte para furação com brocas de aço rápido METAIS FERROSOS MATERIAL A SER USINADO Velocidade de corte (m/min) Fator M AÇO-CARBONO com resistência até 500 N/mm² com resistência até 700 N/mm² com resistência até 900 N/mm² 28 – 32 25 – 28 20 – 25 0,80 0,80 0,63 AÇO LIGA E AÇO FUNDIDO com resistência até 900 N/mm² com resistência até 1200 N/mm² com resistência até 1500 N/mm² 14 – 18 10 – 14 6 – 10 0,50 0,40 0,315 FERRO FUNDIDO com dureza até 200 HB com dureza até 240 HB com dureza acima de 240 HB 25 – 30 18 – 25 14 – 18 1,00 0,80 0,50 Fonte: Adaptado de SKF, 1987. Você pode perceber que as velocidades são indicadas em m/min. Além disso, podemos ver na tabela que, para cada material, será indicada uma faixa de velocidades recomendada para a usinagem. Isso acontece pois, para cada combinação de material de peça e material de ferramenta, haverá uma faixa de velocidades determinada experimentalmente que vai resultar no melhor rendimento do processo. 6 Veja que, para furar uma peça de aço-carbono com resistência até 500 N/mm², é recomendada uma velocidade de corte entre 28 e 32 m/min. O avanço deve ser corrigido por um Fator M = 0,8. Se a mesma ferramenta for utilizada para usinagem de uma peça de ferro fundido com dureza até 200 HB, a velocidade recomendada está na faixa de 25 a 30 m/min. Nesse caso, o avanço deve ser corrigido por um Fator M = 1,0. Perceba que, para cada operação, deverá ser ajustada tanto a velocidade de corte quanto o avanço. Para saber mais sobre as velocidades de corte nas diferentes operações de usinagem, consulte os catálogos dos fabricantes de ferramentas. Vários processos de usinagem ocorrem através do movimento de rotação com velocidade constante. Nesses casos, a unidade de medida é o número de rotações por minuto (rpm). Em máquinas que tenham movimento de rotação, a velocidade de corte vai se relacionar com o número de rotações por minuto (rpm), de acordo com a seguinte equação: 𝑁 = 1000 𝑣𝑐 ∅𝜋 Onde: 1000 = constante de conversão de m para mm; Vc = velocidade de corte (m/min); Ø = diâmetro (mm); π = 3,14159265. Exemplo 1 Calcule o valor do número de rotações por minuto para fazer um furo de diâmetro 12 mm com uma broca de aço rápido em uma peça de aço-carbono com resistência de 700 N/mm². 𝑁 = 1000 𝑣𝑐 ∅𝜋 𝑁 = 1000 25 ∗ 12𝜋 *25 m/min obtido da tabela para furação com brocas de aço rápido N = 660 rpm Resposta: Logo, para furar uma peça de 700 N/mm² com uma broca de HHS e diâmetro 12 mm, teremos de regular a furadeira com 660 rpm. 7 Exemplo 2 Calcule o valor do número de rotações por minuto indicado para torneamento de uma peça de aço SAE1020 com diâmetro 45 mm e velocidade de corte de 120 m/min. 𝑁 = 1000 𝑣𝑐 ∅𝜋 𝑁 = 1000 120 45𝜋 N = 850 rpm Resposta: Logo, para tornear uma peça de diâmetro 45 mm com velocidade de 120 m/min, teremos de regular a máquina com 850 rpm. TEMA 3 – VELOCIDADE DE AVANÇO E TEMPO DE CORTE Para ocorrer a usinagem, a ferramenta deve avançar contra a peça. Na medida em que issoocorre, a aresta de corte da ferramenta penetra no material da peça, removendo parte dele em forma de cavaco. Esse movimento é chamado de movimento de avanço, avanço de corte, ou simplesmente avanço (ABNT, 1989). Os valores de avanço também são obtidos experimentalmente e tabelados pelos fabricantes de ferramentas. Vamos ver, como exemplo, na figura a seguir, um gráfico ilustrativo do avanço recomendado para furação com brocas de aço rápido (HSS). Gráfico 1 – Avanços para brocas de aço rápido Fonte: Adaptado de SKF, 1987. 8 Observe no gráfico o diâmetro da broca de Ø10 mm. O fabricante vai recomendar um avanço de 0,24 mm/rot. Por outro lado, consultando o gráfico, podemos ver que para uma broca de aço rápido de diâmetro Ø20 mm a recomendação do avanço é de 0,35 mm/rot. Também é necessário fazer o ajuste do avanço em função do material da peça (fator M da tabela anterior). Você pode perceber que o avanço aumenta em função do diâmetro da broca. Isso significa que, quanto maior o diâmetro da broca, maior a capacidade de remoção de cavacos em cada giro da ferramenta. Para as fresas de topo, a variação do avanço depende do número de cortes da ferramenta e, nesse caso, a variação do avanço não é linear. Veja na figura a seguir um exemplo experimental utilizado para determinação do avanço das fresas de topo de aço rápido. Figura 4 – Avanço por dente para fresas de topo HSS Fonte: Adaptado de SKF, 1987. Como exemplos, podemos indicar que uma fresa de topo de dois cortes com diâmetro Ø6 mm tem avanço por dente aproximado de f = 0,022 mm/rot. Por outro lado, para uma fresa de topo de 4 cortes, com diâmetro Ø16 mm, o avanço por dente será aproximadamente f = 0,081 mm/rot. Para determinar a velocidade de avanço, devemos considerar a velocidade de rotação da ferramenta. 𝑉𝑓 = 𝑓𝑧𝑁 9 Onde: Vf = Velocidade de avanço (mm/min); f = avanço por rotação (mm/rot); z = número de dentes (ou cortes) da ferramenta; N = número de rotações por minuto (rpm). O passo seguinte é o cálculo do tempo de corte. Nos processos em que a velocidade de avanço seja constante, o cálculo do tempo de corte é feito com base na equação fundamental da cinemática. 𝑡𝑐 = 𝐿 𝑉𝑓 Onde: tc = tempo de corte (min); L = comprimento de corte (mm); Vf = Velocidade de avanço (mm/min). Essa equação deve ser adaptada para cada operação de usinagem, conforme os seus detalhes específicos. Vamos ver dois exemplos de cálculo. Exemplo 1 Calcule o tempo de corte para realização de um furo de 22 mm de profundidade com broca HSS de Ø10 mm em uma peça de aço-carbono com resistência de 800 N/mm². Consultando as tabelas e gráficos, vamos encontrar: Ø=10 mm; Vc = 20 m/min; f = 0,24 mm/rot (gráfico do avanço); M = 0,63 (tabela de velocidade de corte); z = 1 (brocas HSS); L = 22mm (profundidade) 𝑁 = 1000 𝑣𝑐 ∅𝜋 N = 1000 * 20/(10 * 3,14) N = 634 rpm 𝑉𝑓 = 𝑓𝑧𝑁 10 Vf = (0,24 * 0,63) * 1 * 634 Vf = 96 mm/min 𝑡𝑐 = 𝐿 𝑉𝑓 tc = 22 / 96 tc = 0,2292 min tc = 13,75 s Exemplo 2 Calcule o tempo de corte para fresamento de um canal de 60 mm de comprimento, 12 mm de largura e 1 mm de profundidade, realizado em um único passe. Considere a utilização de uma fresa HSS de 4 cortes de Ø12mm em uma peça de aço-carbono com resistência de 450 N/mm². Consultando as tabelas e gráficos, vamos encontrar: Ø=12mm; Vc = 28m/min; f = 0,07mm/rot (gráfico do avanço); M = 0,8 (tabela de velocidade de corte); z = 2 (fresa de 4 cortes); L = 60mm (comprimento) 𝑁 = 1000 𝑣𝑐 ∅𝜋 N = 1000 * 28/(12 * 3,14) N = 742 rpm 𝑉𝑓 = 𝑓𝑧𝑁 Vf = (0,07 * 0,8) * 2 * 742 Vf = 83 mm/min 𝑡𝑐 = 𝐿 𝑉𝑓 tc = 60 / 83 tc = 0,722 min tc = 43,3 s 11 Portanto, para determinarmos o valor da velocidade de avanço, devemos consultar os valores de referência nas tabelas mencionadas e ajustá- los ao nosso processo de usinagem da seguinte forma: Devemos fazer o cálculo do número de rotações por minuto (rpm) e, em seguida, fazer o ajuste do avanço em função do material da ferramenta (gráficos de avanço) e do material da peça (fator M). Para calcular o tempo de corte, dividimos o espaço percorrido pela velocidade de avanço. Para cada operação de usinagem, existe um conjunto de tabelas, gráficos e equações que nos permitem relacionar as grandezas cinemáticas dos processos de fabricação. TEMA 4 – GEOMETRIA DAS FERRAMENTAS DE CORTE Ao analisar as ferramentas de corte, podemos perceber algumas características comuns, identificadas na ponta da ferramenta. Cada ferramenta vai ter uma forma geométrica especial, dependendo do tipo de detalhe que pretendemos usinar na peça. Por exemplo, existem brocas para furação, machos para rosqueamento, pontas para torneamento, fresas para usinagem em geral. Veja, na figura a seguir, algumas brocas de aço rápido. Figura 5 – Brocas de aço rápido Fonte: Workfer, 2015. Na figura a seguir, podemos observar alguns tipos de fresas de topo. 12 Figura 6 – Fresas de topo Fonte: Shutterstock. Naturalmente, vamos perceber que os diferentes tipos de ferramentas serão aplicados em diferentes operações de usinagem. A forma geométrica das pontas das ferramentas de corte é estabelecida pela norma ABNT NBR 11406, conforme ilustrado na figura a seguir. Figura 7 – Ponta das ferramentas de corte Fonte: Machado et al., 2009. A ferramenta para torneamento tem geralmente apenas uma aresta de corte. Esse tipo de ferramenta é formado por uma ponta de corte e um cabo. A ponta vai executar o processo de usinagem, e o cabo vai permitir a fixação da ferramenta. O corte vai ocorrer pela penetração da aresta de corte da ferramenta no material da peça. Figura 8 – Ponta das ferramentas de torneamento 13 Fonte: Machado et al., 2009. A aresta de corte (S) vai penetrar no material da peça, fazendo o corte do material. O cavaco é formado e escorrega sobre a superfície de saída (Aγ) da ferramenta. A superfície principal de folga (Aα) evita que a lateral da ferramenta mantenha contato com a superfície da peça durante a usinagem. A superfície de saída e a superfície de folga formam a cunha da ferramenta. Em todas as pontas de corte podemos encontrar o princípio fundamental da cunha sendo aplicado. Veja a seguir a representação de uma aresta de corte penetrando na peça, com a ferramenta removendo o cavaco (Figura 10). Dessa maneira, podemos compreender o princípio da cunha: a ponta de uma ferramenta afiada adequadamente em forma de cunha facilita a penetração da aresta de corte, promovendo a usinagem do material. Além disso, podemos observar a existência de uma superfície secundária de folga. Essa superfície vai formar uma aresta secundária de corte. Ou seja, esse tipo de ferramenta pode executar operações em duas direções distintas. No caso da ferramenta de torneamento, a aresta principal de corte vai permitir a usinagem cilíndrica e a aresta secundária de corte vai permitir a usinagem em faceamento. A forma geométrica da ferramenta deve ser desenvolvida em função da característica do processo de usinagem. A principal finalidade da geometria da ferramenta é permitir a penetração da aresta de corte simultaneamente na direção de corte e na direção do avanço, separando o cavaco da peça e efetuando a usinagem. O restante da ponta de corte não deve entrar em 14 contato com a peça devido à superfície principal de folga, sendo que o cavaco deve escorregar sobre a superfíciede saída. TEMA 5 – PRINCIPAIS ÂNGULOS E ALTERAÇÕES DA GEOMETRIA DA FERRAMENTA NA PONTA DE CORTE Podemos pensar que para cada superfície vai existir um ângulo correspondente. Os principais são: o ângulo de saída e o ângulo de folga, que formam o ângulo de cunha da ferramenta. Veja na figura a seguir uma ilustração da variação do ângulo de saída () em uma ferramenta de torneamento. Figura 9 – Ângulo de saída de uma ferramenta de torneamento Fonte: Adaptado de Ferraresi, 1970, p. 30. Os ângulos de saída negativos vão oferecer maior resistência e facilitar a quebra do cavaco. Já os ângulos de saída positivos vão oferecer menor resistência para o cavaco. No torneamento, é possível controlar a direção de saída do cavaco, conforme podemos observar nas figuras a seguir. Figuras 10 e 11 – Direção de saída do cavaco 15 Fonte: Mitsubishi Materials, 2015. O ângulo de folga (α), também é chamado de ângulo de incidência. Ele vai criar uma folga entre a superfície da ferramenta e a superfície da peça durante a usinagem. Ele deve ser o mínimo suficiente para que a superfície de folga não encoste na peça durante a usinagem. Figura 11 – Ângulo de folga Fonte: Mitsubishi Materials, 2015. Podemos concluir que se o ângulo de folga (α) for pequeno, resultará em grande desgaste da ferramenta. Por outro lado, se o ângulo de folga for grande, o desgaste será pequeno, conforme ilustrado na figura acima. A intersecção da superfície de saída com a superfície de folga forma a aresta principal de corte. Essas duas superfícies formam o ângulo de cunha (β), conforme podemos observar na figura a seguir. Figura 12 – Ângulo de cunha 16 Fonte: Adaptado de Ferraresi, 1970, p. 27. Quanto menor o ângulo de cunha (β), mais afiada a ferramenta; porém vamos perceber que sua resistência também vai diminuir. Podemos posicionar a ferramenta de diferentes formas, alterando a incidência da aresta de corte e, por consequência, a usinagem. O ângulo de posição (χ) estabelece a relação entre a aresta principal de corte e a direção do avanço. Podemos perceber que isso faz que a largura do cavaco seja igual ou maior que a profundidade de corte em função da posição da aresta de corte. Figura 13 – Ângulo de posição e espessura do cavaco Fonte: Mitsubishi Materials, 2015. Na maioria das ferramentas, também é recomendável fazermos um raio de ponta. A principal finalidade do raio de ponta é suavizar o corte e distribuir o cavaco em uma região maior da aresta de corte. A ponta da ferramenta fica mais resistente e menos suscetível a quebras. Além disso, como podemos ver 17 na figura abaixo, maiores raios de ponta vão resultar em menores rugosidades da superfície acabada. Figura 14 – Raios de ponta Fonte: Mitsubishi Materials, 2015. A aresta de corte pode ser alterada em sua forma geométrica para facilitar a formação do cavaco. Sobre a aresta de corte, podem ser aplicados três tipos de preparação, conforme podemos ver na figura abaixo. Figura 15 – Preparação da aresta de corte Fonte: Mitsubishi Materials, 2015. A aresta de corte tem a sua resistência aumentada com a geometria de preparação. Os fabricantes de ferramentas recomendam que a dimensão da preparação seja limitada à metade do avanço de corte. Como principal efeito positivo, podemos obter o aumento da vida útil da ferramenta. Já como efeito negativo, pode ocorrer o aumento do esforço de corte e vibrações durante a usinagem. Por fim, a superfície de saída da ferramenta, por onde vai escorregar o cavaco, também pode ter sua geometria alterada para favorecer a formação 18 dele. As modificações promovidas na superfície de saída das ferramentas são chamadas de quebra-cavacos, conforme ilustrado na figura a seguir. Figura 16 – Pontas de corte Fonte: Shutterstock. Nessas ferramentas, podemos observar as pontas de corte com desenhos sinuosos sobre a superfície de saída. Essas variações da superfície de saída são justamente os quebra-cavacos das ferramentas. NA PRÁTICA Resolva as questões a seguir. As respostas poderão ser encontradas após a seção de Referências. 1. Indique (V) para Verdadeiro e (F) para Falso nas seguintes afirmações sobre a geometria das ferramentas: ( ) A geometria das ferramentas de corte é estabelecida em norma da ABNT. ( ) A geometria da ferramenta de corte é independente da operação de usinagem. ( ) As ferramentas de corte geralmente são compostas de cabo e ponta de corte. A fixação da ferramenta é feita pelo seu cabo. ( ) A aresta principal de corte é formada pela intersecção da superfície de saída principal e superfície de saída secundária. ( ) Os fabricantes de ferramentas podem produzir a mesma geometria em diferentes materiais. ( ) Ferramentas com maior raio de ponta têm mais resistência mecânica que a mesma ferramenta com menor raio de ponta. 19 2. Indique (V) para Verdadeiro e (F) para Falso nas seguintes afirmações sobre os ângulos da ponta de corte: ( ) A aresta de corte pode ser chanfrada e, assim, reforçamos a ferramenta para a usinagem. ( ) O ângulo de folga evita que a ferramenta entre em contato com a peça durante a usinagem. ( ) O ângulo de posição influencia a largura do cavaco. ( ) O ângulo de cunha permite posicionar a aresta de corte em função da direção do corte. ( ) O ângulo de saída pode alterar a formação do cavaco na operação de torneamento. ( ) Ferramentas com menor ângulo de cunha têm a ponta de corte mais resistente que a mesma ferramenta com maior ângulo de cunha. FINALIZANDO Nesta aula, vimos que os princípios da cinemática é que vão nos ajudar a regular as condições de usinagem. A operação vai ocorrer de maneira adequada quando o movimento relativo entre a ponta da ferramenta e a superfície da peça ocorrer na direção e na velocidade adequadas. Para isso, temos de utilizar ferramentas com geometria adequada, que permitam a penetração da aresta de corte na peça. Por meio de nossos estudos e observações das ferramentas de corte, podemos concluir que a geometria da ferramenta realmente facilita a execução das operações de usinagem. As superfícies da ferramenta, os ângulos de corte e as alterações na geometria na ponta de corte favorecem a quebra do cavaco durante a usinagem. Nas próximas aulas, vamos analisar como os cavacos são formados e como podemos controlá-los durante as operações de usinagem. 20 REFERÊNCIAS FERMEC. Ferramentas de usinagem. Disponível em: <http://www.fermec.com.br>. Acesso em 21 nov. 2017. FISCHER, U. Manual de tecnologia metal mecânica. São Paulo: Blucher, 2011. MACHADO, A. R. et al. Teoria da usinagem dos materiais. São Paulo: Blucher, 2009. REBEYKA, C. J. Princípios dos processos de fabricação por usinagem. 1. ed. Curitiba: Intersaberes, 2016. SANDVIK COROMANT. General turning operations. Disponível em: <https://tu-academy.csod.com/content/tu- academy/publications/91/Files/A_Theory.pdf>. Acesso em 21 nov. 2017. SHUTTERSTOCK. Disponível em: <https://www.shuttersock.com>. Acesso em 21 nov. 2017. SKF. Manual técnico SKF. São Paulo, 1987. STEMMER, C. E. Ferramentas de corte I. 7. Ed. Florianópolis: Ed. da UFSC, 2007. WORKFER. Disponível em: <http://www.workfer.com.br>. Acesso em 21 nov. 2017. 21 RESPOSTAS 1. V, F, V, F, V, V. 2. V, F, V, F, V, F.
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