Resumo Usinagem 2ºBIM

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PROCESSOS DE USINAGEM – 2º BIMESTRE - 2013 
 
TEMPERATURA NA ZONA DE CORTE 
 
A temperatura na zona de corte é determinada experimentalmente pelo calor 
gerado: 
 Dos trabalhos provenientes da deformação da raiz do cavaco; 
 Do atrito entre cavaco e a ferramenta; 
 Do atrito entre a peça e a ferramenta. 
 
As temperaturas nestas regiões são função direta do: 
 Calor específico; 
 Condutibilidade térmica dos materiais em contato; 
 Das áreas por onde ocorre o fluxo de calor. 
 
O estudo dos efeitos de geração e transmissão de calor no processo de corte é 
bastante complexo e o aumento de temperatura: 
 Muda as características físicas e mecânicas do material da peça. 
 Influi no desgaste da ferramenta, limitando os regimes de trabalho. 
 Impõe condições máximas de produtividade e vida das ferramentas. 
 
Balanço Energético 
 
Fontes de Calor: 
As principais fontes de calor no processo de formação do cavaco são devidas: 
(1º) À deformação plástica do cavaco na região de cisalhamento; (Deforma na raiz do 
cavaco  Q raiz – cavaco) 
(2º) Ao atrito do cavaco com a superfície de saída da ferramenta; (Atrito peça-
ferramenta  Q atrito P-F) 
(3º) Ao atrito da peça com a superfície incidência da ferramenta. (Atrito cavaco-
ferramenta  Q atrito C-F) 
 
O calor gerado nestas três regiões é dissipado através: 
 Do cavaco; Qc 
 Da peça; Qp 
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 Da ferramenta; Qr 
 Do meio ambiente (fluido de corte + meios auxiliares). Qma 
 
O balanço energético no processo de corte pode ser expresso: 
Q=Qz+Qa1+Qa2=Qc+Qp+Qf+Qma 
 
Qz=quantidade de calor produzido pela deformação e pelo cisalhamento do cavaco; 
Qa1=quantidade de calor produzido pelo atrito entre o cavaco e a ferramenta; 
Qa2= quantidade de calor produzido pelo atrito entre a peça e a ferramenta; 
Qc=quantidade de calor dissipada pelo cavaco; 
Qp=quantidade de calor dissipada pela peça; 
Qf=quantidade de calor dissipada pela ferramenta; 
Qma=quantidade de calor dissipada pelo meio ambiente. 
 
Os valores numéricos das grandezas acima e as suas % entre si, variam: 
 Com tipo de usinagem (torneamento, fresamento); 
 Com material da peça e da ferramenta; 
 Com as condições de usinagem; 
 Com a forma da ferramenta. 
 
Verifica-se experimentalmente que quase todo o trabalho de usinagem 
(aproximadamente 90%), se transforma em calor. Quantidade de calor é aproximadamente 
equivalente ao trabalho de usinagem. Logo se pode determinar, a quantidade de calor 
produzido na zona de corte através da equação: 
E
vP
Q CC
.

 (kcal/min) 
PC=força de corte (kgf) 
vC=velocidade de corte (m/min) 
E=equivalente mecânico do calor (427kgf.m/kcal) 
 
Aproximadamente 75% do calor saem com o cavaco, 7% vai para a peça e 18% vão 
para a ferramenta. Maior parcela de calor é proveniente da deformação do material. 
- Torneamento: maior parte do calor  cavaco 
- Furação: maior parte do calor  peça 
 
ASPECTOS IMPORTANTES: 
 O calor gerado na usinagem depende da Vc e das forças de corte, o aumento da 
temperatura acelera o desgaste da ferramenta, o qual aumenta o coeficiente de atrito e 
consequentemente a força de corte eleva a temperatura. 
 Apesar da parcela de calor que fica para a ferramenta ser menor, devido as 
pequenas áreas de fluxo a temperatura desenvolvida atinge valores significativos. 
 A maior parte do calor é recebido pelo cavaco e menores parcelas para peça e 
ferramenta 
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 As forças de atrito e as deformações se distribuem de forma irregular na 
ferramenta, fazendo com que o calor também seja distribuído irregularmente na cunha de 
corte. 
 
Solicitações Térmicas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Maior produção – 
Maior velocidade 
de corte. 
Conseqüência do aumento da temperatura: 
- Transformação da estrutura do material; 
- As ferramentas perdem a sua dureza, desgastam-se rapidamente e tornam-se 
improdutivas. 
Porém  para aumentar a produtividade da ferramenta deve-se aumentar: a 
velocidade de corte, o avanço e a profundidade de corte. 
Solução: usar meios para diminuir a temperatura; empregar materiais de corte mais 
resistentes a altas temperaturas e ao desgaste; empregar um meio auxiliar que refrigere a 
zona de corte e lubrifique as regiões de atrito. 
 
 
DESGASTE NAS FERRAMENTAS DE GEOMETRIA DEFINIDA 
 
Desgaste: são alterações geométricas e estruturais na cunha de corte provocadas 
pelas diferentes solicitações impostas na ferramenta. 
As alterações da cunha de corte influenciam nos tempos de fabricação, tempos de 
troca, custos da máquina e ferramenta, qualidade no trabalho, etc. 
Desgastes nas ferramentas: Dependem da forma de solicitação e do tempo de 
utilização da ferramenta durante a usinagem. 
 
Principais causas do desgaste: 
 Danos térmicos e mecânicos: solicitações mecânicas elevadas; mudança de 
propriedade (altera estrutura interna do material; altera tamanho de grão). Pode causar 
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trinca por causa de gradiente térmico elevado (grande variação de temperatura em um 
curto espaço de tempo). 
 Adesão (cisalhamento dos pontos de adesão): cisalhamento das porções caldeadas 
de cavaco na superfície de saída. Próprio cavaco leva essas porções, que podem levar junto 
partículas da ferramenta (cunha de corte), desgastando-a. 
 Difusão. 
 Abrasão mecânica: Causado pelo atrito, movimento relativo entre ferramenta e 
peça. 
 Oxidação: reações químicas. Temperatura age como catalisador para formar pares 
galvânicos e acelera oxidação. Perde elemento de liga gradativamente. Aço Rápido: 
rapidamente oxidável. 
OBS: durante o trabalho da ferramenta estas causas agem simultaneamente sendo 
difícil a distinção. 
 
O desgaste que aparece nas ferramentas depende da forma de solicitação e do 
tempo de utilização em usinagem. O desgaste é cumulativo. 
 
 
Formas de Avaliação do Desgaste: 
 
Medição Direta: 
 Inspeção visual, comparando com padrões; 
 Medição mecânica (paquímetros, micrometros, etc.) 
 Medição óptica (microscópio); 
 Medição ótica/eletrônica (com processamento de imagem). 
 
Medição Indireta: 
 Através do aumento das vibrações; 
 Aumento do ruído; 
 Piora da qualidade da peça; 
 Rejeição visual (dimensional); 
 Aumento das forças. 
 
 
MEDIÇÃO DO DESGASTE TECNICAMENTE RECOMENDADO(FORMAS DE DESGASTE) 
 
Marca de desgaste VB: VBmax (mais usado, dá o comportamento da ferramenta em 
relação ao trabalho; VBmed. 
É medido na superfície de incidência (flanco). 
Monitorando só VB monitora o desgaste da ferramenta (aprofundamento). 
 
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Desgaste de Cratera KT: cavaco passando na superfície de saída, pressão, adesão, 
difusão e outras formas de desgaste tendem a provocar uma grande depressão na 
superfície de saída. (zona de máxima temperatura). 
É medido na superfície de saída. 
Desgaste máximo VB na broca se localiza no ponto de VC máxima. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Características da fresa, da broca, da serra: mais 
de um gume cortante. Então, são N ferramentas 
trabalhando, porém quando quantificar o desgaste é para 
um gume de corte. Definir um critério para avaliar o 
desgaste geral da ferramenta, por exemplo, eleger um 
gume que possa ser o mais utilizado, pois se espera que o 
desgaste em todos os gumes cortantes seja o mesmo. 
 
 
FORMAS DE DESGASTE 
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 Lascamentos: causados por forças de corte elevadas,ângulos de ponta ou cunha 
pequenos ou materiais de ferramenta muito frágeis. (corte interrompido, usinagem de 
materiais tenazes). 
 Fissuras Transversais (paralela ao gume de corte): Ocorrem em cortes 
interrompidos (fresamento), quando ocorrem solicitações alternadas. 
 Fissuras Longitudinais (perpendicular ao gume de corte): decorrentes de 
solicitações térmicas alternadas. 
 Deformações plásticas: ocorrem quando a ferramenta tem baixa resistência 
mecânica. Isto é, tem baixa resistência a deformação e tem tenacidade suficiente ao 
carregamento imposto pelo corte. (ex. ferramentas não totalmente temperadas). 
 Remoção Mecânica. 
 Desgaste decorrente de caldeamentos. 
 Gume Postiço. 
 
 
CRITÉRIOS DE SUBSTITUIÇÃO DA FERRAMENTA (FIM DE VIDA)(DESGASTE CRITICO) 
São critérios utilizados para determinar a troca da ferramenta: 
 Desvios nas tolerâncias dimensionais; (alterações dimensionais na peça) 
 Desvios nas tolerâncias geométricas; 
 Perda da qualidade superficial da peça; 
 Aumento do nível de vibração (ruído); (vibrações) 
 Aumento nos esforços no processo; 
 Aumento da temperatura; 
 Aumento das rebarbas; (alterações nos tipos e formas do cavaco) 
 Certo nível de desgaste de flanco (VB) e cratera (Kt); 
 Falha preliminar da ferramenta; 
 Falha completa da ferramenta; 
 Alterações nas forças de usinagem. 
 
VIDA DA FERRAMENTA DE CORTE 
Definição: Intervalo de tempo em trabalho entre duas afiações sucessivas. 
Atuação dos mecanismos de desgaste: impossibilita o trabalho. 
Tempo decorrido da entrada em trabalho da ferramenta nova (afiada) até sua 
substituição pelo critério de fim de vida (atingiu o desgaste limite). 
 
 
FORMAS USUAIS DE EXPRESSAR A VIDA DA FERRAMENTA: 
 Tempo de máquina: tempo que a ferramenta fica na máquina; 
 Tempo efetivo de corte: tempo de uso da ferramenta; 
 Volume de material removido: volume usinado; 
 Número de peças usinadas (mais usado) 
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 Velocidades de corte equivalente: velocidade de Taylor. Ex: V30: velocidade de 
corte que proporciona uma vida de 30 min. para um conjunto de condições fixas de 
trabalho. 
 
 
 
 
 
 
FATORES INFLUENTES NA VIDA DAS FERRAMENTAS 
 
Variáveis de Processo: 
1. Velocidade de corte: possui significativa influência sobre a vida das ferramentas. 
Eq. de Taylor: vC.T
n=CT 
vC=velocidade de corte (m/min) 
T=vida (min) 
CT; n= constantes (dependem: maquina, peça e ferramenta) 
Ferramenta Peça n CT 
Aço-rápido 
Aço 0,125 - 0,167 116 
fofo 0,14 – 0,25 116 
Metal-duro 
Aço 0,2 618 
fofo 0,25 419 
 
2. Dimensões de corte: a seção de corte afeta diretamente a vida da ferramenta. 
Quanto maior a seção de corte, mais severa será a interação da ferramenta com a peça. 
Com isso, temos grandes cavacos, forças maiores, maiores atritos. 
3. Material usinado: as características do material da peça afetam a vida da 
ferramenta (propriedades mecânicas do material, influencia na tensão de escoamento, 
estrutura cristalina, elementos de ligas...) 
Características estruturais: 
 Elementos químicos constituintes; 
 Propriedades físicas; 
 Propriedades químicas; 
 Propriedades elétricas; 
 Propriedades mecânicas. 
 
 Variáveis de Máquina: 
 Rigidez da máquina ferramenta; 
 Rigidez dos dispositivos fixadores da peça; 
 Rigidez do conjunto peça-ferramenta-máquina. 
Obs.: a falta de rigidez no conjunto gera vibrações durante o processo de corte, 
acarretando instabilidade no processo de corte, afetando a vida da ferramenta. 
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 Vibrações forçadas: variações nas forças de corte; 
 Vibrações auto-excitadas: decorrentes da instabilidade dinâmica no sistema peça-
ferramenta. 
 
Variáveis da ferramenta 
1. Ângulos da ferramenta: a geometria da ferramenta tem influência na vida, assim 
como a qualidade do gume; 
2. Material da ferramenta: características do material + revestimento.; 
3. Forma de atuação da cunha de corte: corte contínuo ou corte interrompido. 
Geralmente o corte contínuo é menos severo para a ferramenta. 
Geometria Otimizada: melhor geometria (vida mais longa) para determinada 
operação. 
 
 
 
 
 
 
CURVA DE VIDA DE UMA FERRAMENTA 
Definição: curva que relaciona a velocidade de corte com a vida da ferramenta para 
uma determinada condição de trabalho. 
Curva que mostra o comportamento da vida de corte em função da velocidade de 
corte imposta no processo de remoção em uma determinada operação de usinagem. 
*Variamos a velocidade de corte e assim teremos o desgaste da ferramenta. 
 
Etapas para determinação da curva de vida: 
Método experimental 
- Definir integralmente a operação (máq. ferramenta, parâmetros de corte, peça... 
menos a VC, pois ela varia) 
- Escolha de uma faixa de velocidades de corte aplicáveis ao processo; 
- Definir o desgaste crítico (máx. aceitável); 
- Realização dos testes para levantamento do comportamento dos desgastes em cada 
velocidade de corte selecionada; 
- Plotar os resultados obtidos; 
- Em função do comportamento dos desgastes e do desgaste crítico, determinar os 
pontos da curva de vida. 
 
Extraído do Ferraresi: 
GENERALIDADES: 
Para o estudo das condições econômicas de usinagem, é necessária a execução de 
ábacos que fornecem a vida da ferramenta em função da velocidade de corte. Tais ábacos 
nos dão as chamadas curvas de vida da ferramenta ou simplesmente curvas T-v. 
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Para a execução das curvas de vida, deve-se geralmente construir em primeiro lugar 
gráficos auxiliares, que nos dão os desgastes da ferramenta para diferentes velocidades e 
tempos de trabalho, em determinadas condições de usinagem do par ferramenta-peça 
(condições de avanço, profundidade de corte, geometria da ferramenta, etc.). Os desgastes 
empregados para esse fim são aqueles que forem mais significativos na vida da ferramenta. 
A figura 1a apresenta a variação do desgaste VB em função do tempo de usinagem 
com pastilhas de metal duro, para diferentes velocidades de corte. De posse destas curvas, 
pode-se fixar o valor do desgaste (por exemplo, VB=0,8mm), que definirá a vida da 
ferramenta, nas condições de usinagem desejadas. A fixação de VB=0,8mm, por exemplo, 
nos informa que o desgaste chegando a esse valor, a ferramenta deve ser substituída para 
evitar uma possível quebra ou para manter as condições de acabamento fixadas. Obtêm-se 
assim na figura 1a para VB=0,8mm, os pontos m, n e o das curvas de velocidade, os quais 
fornecerão os tempos de trabalho, ou seja, as vidas da ferramenta para as velocidades 
v=180, v=144 e v= 128 m/min. 
Fig.1a: curva de desgaste em função do tempo de usinagem, para 
diferentes velocidades de corte, em determinadas condições de 
usinagem. 
 
 
 
 
Constrói-se, desta forma, a curva de vida T-v para VB=0,8mm (fig. 
1b), nas condições de usinagem prefixadas. 
 
 
 
Fig.1b: Curva de vida da ferramenta para desgaste 
VB=0,8mm, obtida através das curvas de desgaste. 
Desgaste VB – Marca do desgaste na superfície de incidência 
produzida na ferramenta durante o processo de remoção 
 
CRITERIOS PARA MEDIÇÃO DO DESGASTE VB 
Torneamento – 1 Cunha de corte 
Furação – 2 ou mais cunhas de corte 
Fresamento – n cunhas de corte 
 
FORÇAS NA USINAGEM 
As forças desenvolvidas na usinagem são resultantes da interação entre a ferramenta 
e a peça. O conhecimento do comportamento e da ordem de grandeza dos esforços de 
corte é de fundamental importância, pois afetam a potência necessária ao corte 
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(dimensionamento da máquina ferramenta),a qualidade do componente produzido, a 
temperatura na zona de corte e o desgaste da ferramenta. 
 
FORMAS DE DETERMINAÇÃO DOS ESFORÇOS 
1. Método teórico: através dos fenômenos de formação do cavaco com algumas 
simplificações e suposições. Ex: corte ortogonal e forças em 2 direções apenas. 
2. Método empírico: os esforços de corte são equacionados utilizando-se 
coeficientes de procedimentos experimentais. 
3. Método experimental: Medições direta das formas no processo de usinagem. 
 
TORNEAMENTO: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Obs.: Considerando ação das forças sobre a ferramenta, (Eq. de 
Taylor), onde: 
PU (F): Força de usinagem; 
Pa (Ff): Força de avanço; 
Pc (Fc): Força de corte; 
Pp (Fp): Força passiva. 
 
PRINCIPAIS FORÇAS EM BROCAS HELICOIDAIS: 
As forças podem também ser determinadas através de equações empíricas; 
Essas dependem basicamente do diâmetro da broca, do avanço e do material da 
peça. 
Também contribuem as características do tipo de broca ou condições externas que 
exercem influência secundária sob a determinação destas constantes, como o ângulo de 
ponta, o ângulo de hélice, a qualidade da afiação da ferramenta e o fluido de corte 
empregado. 
 
Força de corte (Fc) - essa corresponde à parcela da força de corte ( Fci ) que atua em 
cada um dos gumes cortantes e é decorrente da resistência ao corte do material usinado, 
tendo grande influência sobre o momento torsor que atua na furação. 
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4
.
.
df
KsKF CCC 
 
 
onde: FC = Força de corte por gume [N] 
KC = pressão específica de corte [N/mm²] 
s = seção de corte da ferramenta [mm²] 
f = Avanço [mm] 
d = Diâmetro da broca [mm] 
 
Força de avanço (Ff)- é a resultante da soma das parcelas das reações ao avanço do 
gume de corte e do gume transversal. Como o gume transversal atua no sentido de 
extrudar material para os gumes principais, a parcela da respectiva força de avanço pode 
ser igual ou até mesmo maior que a força de avanço dos gumes principais de corte. É 
importante conhecê-la para se ter certeza que o eixo da máquina é capaz de suportar a 
operação. 
 
 
Onde: Ff = Força de avanço [N] 
kf = pressão específica de avanço [N/mm2] 
f = Avanço [mm] 
d = Diâmetro da broca [mm] 
σ = Ângulo de ponta da ferramenta [graus] 
 
Força passiva (Fp) - atua em uma parcela do gume principal. As forças passivas 
atuantes nos gumes tendem a se anular mutuamente. É desprezível quando comparada 
com as forças de corte e de avanço. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CRITÉRIO DE FIM DE VIDA EM FURAÇÃO 
Definição: perda do controle sobre os cavacos ou iminência de uma quebra rápida. 
 
Fatores considerados: 
Textura superficial; 
Exatidão dimensional e geométrica; 
Estado da ferramenta; 
Formação do cavaco; 
Vida restante da ferramenta 
Critérios de fim de vida utilizados na 
prática: 
Tempo de máquina; 
Tempo efetivo de corte; 
Volume de metal removido; 
Número de peças usinadas; 
Velocidade de corte equivalente; 
Comprimento usinado equivalente; 
Velocidade de corte relativa. 
Erros geométricos; 
Erros dimensionais; 
Posicionamento; 
Circularidade; 
Forma; 
Presença de rebarbas; 
Precisão; 
Processo; 
Peça; 
Ferramenta; 
Máquina; 
Parâmetros; 
Rigidez. 
 
 
Fatores que influenciam a qualidade e precisão do furo: 
 Máquinas onde são utilizadas buchas - precisão da broca em relação ao diâmetro e 
circularidade, não é tão crítica; 
 Máquinas de comando numérico / máquinas de precisão – a precisão da broca é 
crítica; 
 Brocas padrão podem necessitar de uma nova retificação para operações de 
precisão; 
 Retificação inadequada, desbalanceamento das forças, deflexão na broca, erros nos 
furos. 
 
Erros comuns na geometria do furo: 
 Erros de forma: diâmetro não uniforme; 
 Rebarba: rebarba na entrada ou saída do furo; 
 Erros de posicionamento: deslocamento do centro do furo; 
 Erros de circularidade: seção circular distorcida; 
 Erros de dimensão: diâmetro resultante diferente da broca. 
 
PRINCIPAL FORÇA NA USINAGEM É A PC 
 
 
DETERMINAÇÃO DA FORÇA DE CORTE (MÉTODO EMPÍRICO): 
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Onde a.p = s = seção de corte (mm). 
KS ou KC: constante chamada “pressão específica de corte”, que mantém uma relação 
com as características do material usinado. [N/mm²] 
 
 
PRESSÃO ESPECÍFICA DE CORTE (KC): 
Força de corte para uma unidade de área da seção de corte. 
É uma característica especifica de cada material e possui uma correlação com 
diversas variáveis do processo de usinagem. 
KC pode ser aproximadamente relacionada com a tensão de ruptura (
R
) e o grau de 
recalque (RC). 
 
CRC RCK ..
 
C
=constante para ajuste de cada material 
R
=tensão de ruptura 
CR
=grau de recalque 
 
mc
CC hbKF
 11.1 ..
 
h
=espessura de corte 
b
=largura de corte 
1.1CK
=pressão especifica de corte para uma seção de corte igual a 1mm² (tabelas) 
mc1
=constante que varia com a operação de usinagem (tabelas) 
 
 
PRINCIPAIS FATORES INFLUENTES NAS FORÇAS(NOS ESFORÇOS DE USINAGEM) 
 Velocidade de corte; 
 Dimensões de corte; 
 Materiais envolvidos (peça-ferramenta); 
 Modo de atuação da ferramenta (processo); 
 Geometria da ferramenta; 
 Nível de desgaste da ferramenta; 
 Temperatura da zona de corte (fluído de corte). 
POTÊNCIA DE CORTE (NC) 
É a potência disponível no gume da ferramenta de corte e consumida na operação de 
remoção de cavacos. 
 [Kw]; PC [N] ; v [m/min] 
 [m/min]; d[mm]; n[rpm]. 
 [CV] 
 
 
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RENDIMENTO DA OPERAÇÃO DE USINAGEM 
 
 
 
MEDIÇÃO DAS FORÇAS NO PROCESSO DE USINAGEM 
 
Importância do conhecimento das forças 
 Seleção de suportes e fixadores; 
 Seleção da máquina para executar a operação; 
 Dimensionar os elementos da máquina ferramenta. 
 
Estabilidades das forças (diversos fatores contribuem para instabilidade das forças na 
usinagem) 
 Rigidez aos sistemas 
 Estabilidade dinâmica da máquina 
 Vibrações (sistemas acionamentos, deflexões) 
 Forças sistemas rotativas 
 
Sistemas de Medição das Forças: 
Os sistemas empregados para quantificar as forças de usinagem devem atender os 
seguintes requisitos: 
 Possuir sensibilidade compatível com o processo avaliado 
 Possuir precisão adequada (valor medido aproximado valor real) 
 O sistema não pode interferir no processo de usinagem 
 O sistema não pode sofrer influencias externas (temperatura, umidade, pressão, ondas 
eletromagnéticas, variações de tensão) 
 
Princípios empregados nos sistemas de medição 
 Medição direta (piezoeléctrico, magneto estricção) 
 Medição indireta (mecânica ,pneumática, hidráulica, elétrica) 
Obs: Para realizar a medição dinâmica das forças é necessário possuir um SM com baixa inércia de 
medição (valor no tempo) 
 
Casos típicos de medição 
Torneamento, furação e fresamento. 
 
Formas de registro da Fu. 
 Leitura visual do SM exige atenção e familiarização com instrumento 
 Aquisição/gravação dados em sistemas específicos não exige requisitos técnicos pois o sistema de 
aquisição faz a tarefa previamente programada 
 
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