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Eng. Clayton T. Martins Hurth Infer – Ind. Máq. e Ferramentas LTDA 11/2004 Curso Básico sobre Fresamento Índice 1. Introdução ......................................................................................pág.02 2. Escolha da Fresa Adequada ..........................................................pág.04 3. Tipos de Fresas .............................................................................pág.06 4. Condições de Usinagem ................................................................pág.09 5. Afiação ...........................................................................................pág.14 6. Refrigeração ..................................................................................pág.15 7. Armazenamento e Manuseio Adequado ....................................... pág 15 8. Tomada de Ação para Resolver Problemas no Fresamento ........ pág.16 Introdução As peças a serem usinadas podem ter as mais variadas formas. Este poderia ser um fator de complicação do processo de usinagem. Porém, graças à máquina fresadora e às suas ferramentas e dispositivos especiais, é possível usinar praticamente qualquer peça e superfícies de todos os tipos e formatos. A operação de usinagem feita por meio da máquina fresadora é chamada de fresagem. A fresagem é um processo de usinagem mecânica, feito por fresadoras e ferramentas especiais, denominadas fresas. A fresagem consiste na retirada do excesso de metal ou sobremetal da superfície de uma peça, a fim de dar a esta uma forma e acabamentos desejados. Nessa operação, a remoção do sobremetal da peça é feita pela combinação de dois movimentos, efetuados ao mesmo tempo. Um dos movimentos é o de rotação da ferramenta (fresa). O outro é o movimento da mesa da máquina, onde é fixada a peça a ser usinada. É o movimento da mesa da máquina ou movimento de avanço que leva a peça até a fresa e torna possível a operação de usinagem. Pode ser concordante ou discordante, dependendo do sentido de rotação da ferramenta. No discordante (figura1A), o ângulo da direção de avanço (ϕ) cresce desde zero até um valor máximo. O sentido do movimento de avanço é contrário ao movimento rotatório da fresa. Da mesma maneira que ϕ, a espessura de corte aumenta de zero até um máximo. No início do corte, a fresa toca a peça e a força para baixo, causando uma força que tende a afasta-las. Logo após, porém, a força de corte aponta para cima, o que faz com que a fresa puxe a peça ao seu encontro. Esta variação de intensidade e do sentido da força de corte produz vibrações que prejudicam a tolerância e o acabamento superficial da superfície fabricada. Já no movimento concordante (figura1B) – ângulo da direção de avanço (ϕ) inicia o corte em seu valor máximo, decrescendo até zero. O sentido do movimento de avanço é o mesmo do movimento rotatório da fresa. A componente vertical de força de usinagem possui sempre o mesmo sentido, o que elimina os efeitos negativos observados no fresamento discordante. O contato da fresa com a peça inicia em b (hDmáx.) e se desloca até o ponto de menor espessura do cavaco. Um inconveniente do fresamento tangencial concordante é que a força de avanço ocorre no mesmo sentido do deslocamento. Para que a mesa ande em um sentido, a porca do sistema e avanço deve suportar esforços no outro. Como a força resultante sobre a fresa varia em módulo, a força resultante sobre o fuso irá variar em módulo e direção, podendo causar vibração. Este problema pode ser corrigido através de manutenção a fim de tirar folgas da máquina e do uso de fusos de esferas, onde não existe folga. Outro problema do fresamento concordante é que o corte inicia sempre com a espessura máxima de corte. Se a superfície possui camada superficial endurecida (óxido ou sujeira), o contato inicial ferramenta-peça será em condições desfavoráveis, o que causará a queda da vida da ferramenta. A maioria das fresadoras trabalha com o avanço da mesa baseado em uma porca e um parafuso. Com o tempo e desgaste da máquina ocorre uma folga entre eles. No movimento concordante, a folga é empurrada pelo dente da fresa no mesmo sentido de deslocamento da mesa. Isto faz com que a mesa execute movimentos irregulares, que prejudicam o acabamento da peça e podem até quebrar o dente da fresa. No movimento discordante, a folga não influi no deslocamento da mesa. Por isso, a mesa tem um movimento de avanço mais uniforme. Isto gera um melhor acabamento da peça. Assim, nas fresadoras dotadas de sistema de avanço com porca e parafuso, é melhor utilizar o movimento discordante. Para tanto, basta observar o sentido de giro da fresa e fazer a peça avançar contra o dente da ferramenta. Como outros processos, a fresagem permite trabalhar superfícies planas, convexas, côncavas ou de perfis especiais (vide figura2). Mas tem a vantagem de ser mais rápido que o processo de tornear, limar, aplainar. Isto se deve ao uso da fresa, que é uma ferramenta multicortante. Fresadoras As máquinas fresadoras são classificadas geralmente de acordo com a posição do seu eixo-árvore em relação à mesa de trabalho. Mesa de trabalho é o lugar da máquina onde se fixa a peça a ser usinada. O eixo-árvore é a parte da máquina onde se fixa a ferramenta. A classificação das fresadoras parte da relação ao eixo-árvore em horizontal, vertical ou universal. Fresas A fresa é dotada de facas ou dentes multicortantes. Isto lhe confere uma vantagem sobre outras ferramentas: quando os dentes não estão cortando, eles estão se refrigerando. Isto contribui para um menor desgaste da ferramenta. Quanto menor o desgaste, maior vida útil da ferramenta. A escolha da ferramenta é uma das etapas mais importantes da fresagem. Ela está relacionada principalmente com o tipo de material a ser usinado. Ao escolher uma fresa, deve-se levar em conta se ela é resistente ao material que será usinado. Os materiais são mais ou menos resistentes. Assim, uma fresa adequada à usinagem de um material pode não servir para a usinagem de outro. Escolhendo a fresa Então como escolher a ferramenta adequada? Para começar, você deve saber que os dentes da fresa formam ângulos. Estes por sua vez formam a cunha de corte. São ângulos da cunha de corte o ângulo de saída (γ), de cunha (β) e de folga (α). Pois bem, são os ângulos β dos dentes da fresa que dão a esta maior ou menor resistência à quebra. Isto significa que quanto maior for a abertura do ângulo β, mais resistente será a fresa. Inversamente, quanto menor for a abertura do ângulo β, menos resistente a fresa será. Com isto, é possível classificar a fresa em: tipos W, N e H (vide figura3). Percebe-se que a soma dos ângulos α, β e γ em cada um dos tipos de fresa é sempre igual a 90°? Então você deve ter percebido também que, em cada um deles, a abertura dos ângulos sofre variações, sendo porém, o valor do ângulo de cunha sempre crescente. Pois bem, a partir desta observação e de acordo com o material a ser usinado, você já pode escolher a fresa adequada ao seu trabalho. A fresa tipo W, por ter uma abertura de ângulo de cunha menor (β = 57°), é menos resistente. Por isso ela é recomendada para a usinagem de materiais não-ferrosos de baixa dureza como o alumínio,o bronze e plásticos. A fresa tipo N (β = 73°) é mais resistente que a fresa tipo W e por isso recomendada para usinar materiais de média dureza, como o aço com até 700N/mm 2 de resistência à tração. Finalmente, a fresa tipo H (β = 81°) é mais resistente que a fresa W e a fresa N. Portanto, é recomendada para usinar materiais duros e quebradiços como o aço com mais de 700N/mm2 de resistência à tração. Ainda quanto às fresas tipo W, N e H, você deve estar se perguntando por que uma tem mais dentes que outra. A resposta tem a ver com a dureza do material a ser usinado. Suponha que você deve usinar uma peça de aço. Por ser mais duro que outros materiais, menor volume dele será cortado por dente da fresa. Portanto, menos cavaco será produzido por dente e menos espaço para a saída será necessário. Já maior volume por dente pode ser retirado de materiais mais moles, como o alumínio. Neste caso, mais espaço será necessário para a saída de cavaco. Um dos problemas em usinar materiais moles com fresa com muitos dentes é que o cavaco fica preso entre os dentes e estes não são refrigerados adequadamente. Isto acarreta o desgaste dos dentes e pode ainda gerar um mau acabamento da peça, além da quebra da ferramenta. Tipos de Fresas Como dito anteriormente, a fresa foi criada imaginando ganhos em relação a outras operações de usinagem para ser obter determinadas formas e perfis (côncavos, convexos, perfis geométricos, engrenagens e outros). Para isso existem alguns tipos mais comumente utilizados na industria. 1) Fresas de perfil constante: são fresas para abrir canais, superfícies côncavas e convexas ou gerar engrenagens entre outras operações. Vide figura 4. 2) Fresas planas: Trata-se de fresas utilizadas para usinar superfícies planas, abrir rasgos e canais. Veja a seguir, fresas planas em trabalho e suas aplicações. Observe na figura5. Essas fresas assim como outras podem ser montadas conjugadas conforme apresentado na figura6 para se ganhar em produtividade. 3) Fresas angulares: são fresas utilizadas para a usinagem de perfis em ângulos, como rasgos prismáticos e encaixes do tipo rabo-de-andorinha (vide perfil em “V” – figura2). 4) Fresas para rasgos: são utilizadas para fazer rasgos de chavetas, ranhuras retas ou em perfil T, como as das mesas das fresadoras e furadeiras. Podem ser vistas na figura7 apresentada a seguir: 5) Fresas de dentes postiços: também chamadas de cabeçote de fresamento, são ferramentas de dentes postiços. Esses dentes são pastilhas de metal duro, fixadas por parafusos, pinos ou garras, e podem ser substituídas facilmente. Essas ferramentas são verificadas na figura 8: 6) Fresas para desbaste: São fresas utilizadas para o desbaste de grande quantidade de material de uma peça. Em outras palavras, servem para a usinagem pesada. Esta propriedade de desbastar grande quantidade de material é devido ao seccionamento dos dentes conforme apresentado na figura 9: Condições de Usinagem Como todas as operações de usinagem, a fresagem requer um estudo prévio das condições de usinagem (avanço, rotação e velocidade de corte) para se obter o máximo de benefício oferecido pela ferramenta e a máquina. Esse estudo repercutirá na máxima vida da ferramenta em peças por afiação e por vida útil. Parâmetros de corte inadequados podem causar sérios problemas, como alterar o acabamento superficial da peça e até mesmo causar a quebra ou lascamento da ferramenta. Dessa forma, apresenta-se a seguir a orientação sobre como calcular os parâmetros de corte na fresagem. O primeiro passo é calcular a melhor rotação. Esta depende basicamente de dois elementos: o diâmetro da fresa e a velocidade de corte. A velocidade de corte, por sua vez, vai depender de fatores como o tipo de material a ser usinado, o material da fresa e o tipo de aplicação da fresa. Determinação da Rotação e da Velocidade de Corte Escolher a velocidade de corte é uma tarefa relativamente simples. São fornecidas tabelas com as velocidades de corte relacionadas com o material da fresa e da peça a ser trabalhada. Deve haver, porém, uma atenção especial no uso das tabelas porque trazem tanto valores de Vc para ferramentas de aço rápido, as HSS ( High Speed Steel), quanto para as fresas de metal duro. Ou ainda contemplar em um mesmo espaço as Vc dos dois materiais: aços rápidos e metal duro. Lembrando que as Vc para ferramentas de metal duro chegam a ser entre seis a oito vezes maior que as Vc utilizadas para ferramentas de aço rápido. Isso porque a ferramenta de metal duro tem maior resistência ao desgaste. Por exemplo, deseja-se desbastar 4mm de profundidade em uma peça de aço de 85Kgf/mm2 de resistência, utilizando uma fresa de aço rápido, observa-se na tabela T1. Nesse caso a velocidade de corte para usinar um aço de 85 kgf/mm2 de resistência a uma profundidade de 4mm é de 20 a 24m/min. Caso a profundidade de corte fosse outra, 8mm, por exemplo, a velocidade de corte seria de 14 a 16 m/min. Observa-se que quanto maior a profundidade de corte, menor ser o valor da velocidade de corte. Depois de achada a velocidade de corte, pode-se calcular a rpm. Antes, porém, é preciso mais um dado, o diâmetro da fresa, mas este não é preciso calcular. Basta medir a fresa ou consultar o desenho. Segue abaixo a fórmula para calcular a rotação: Tomemos o exemplo do aço com 85 kgf/mm² e profundidade de corte de 4mm. Tínhamos que Vc = 20 - 24m/min. Supondo que devemos utilizar uma fresa de diâmetro de 40mm, tem-se o seguinte cálculo: Como se vê, o valor utilizado foi de 22 m/min, ou seja, a média da velocidade de corte encontrada na tabela. Utiliza-se nesse caso uma fresa de diâmetro de 40mm com uma rotação de 175rpm. Essa rotação deve ser selecionada na fresadora. Caso a gama de rotações da fresadora não contemple este valor, observam-se quais são as gamas aproximadas. Por exemplo, se estiverem disponíveis 120 e 210 rpm, utiliza-se o valor maior a fim de garantir maior produtividade. Deve-se, porém evitar ultrapassar a velocidade de corte recomendada. Caso contrário, pode haver problemas com a ferramenta, como queima dos dentes de corte e, conseqüentemente, perda do corte. Além de problemas no acabamento superficial, que pode ficar rugoso, por exemplo. Se optar pelo maior valor de rpm encontrado, no exemplo acima (210 rpm), devemos calcular a velocidade de corte real. Para isso invertemos a fórmula usada para o cálculo da rotação. Substituindo os novos valores temos: O resultado obtido, VC= 26,39m/min ultrapassou a faixa recomendada (20 a 24 m/min). Neste caso não é possível utilizar a rpm maior mais próxima na máquina. Então, a escolha deve recair sobre a menor rpm mais próxima, a fim de não danificar a fresa. Calculado a rotação da ferramenta, deve-se estudar o avanço da mesa que leva a peça ao encontro da ferramenta. Isso porque se a peça não avançar adequadamente, não haverá a retirada contínua do cavaco. Cálculo do Avanço da Mesa Paracalcular o avanço da mesa, consulta-se inicialmente a tabela T2. Nessa tabela se obtêm o valor de avanço por dente da fresa. Para isso é preciso conhecer o material, o tipo de fresa e identificar se a operação é de desbaste ou acabamento. Também é preciso saber o número de dentes da fresa, o que se consegue consultando o desenho ou dando um visual na ferramenta. Ainda tomando o primeiro exemplo, supondo que é preciso fazer o desbaste de 4mm de profundidade em uma peça de aço com 85 kgf/mm² de resistência. A fresa é cilíndrica com seis dentes e 40mm de diâmetro. Na tabela T2, o material da peça está entre a faixa de 60-90Kgf/mm. Localizando o material, é possível encontrar o avanço em mm/dente pelas características da fresa e a profundidade do material a remover. A fresa é cilíndrica, então o avanço por dente obtido é 0,24mm/dente. Achado o avanço por dente da fresa, resta encontrar o avanço da mesa, a ser selecionado na máquina como fizemos com a rotação. Supondo que deseja-se usar uma fresa de trabalho com seis dentes (z = 6). Se cada dente avançar 0,24 mm, em uma volta da fresa, a mesa deve avançar a uma determinada velocidade / avanço. Para calcular qual seria essa velocidade, precisa-se multiplicar o número de dentes (z) pelo avanço por dentes (ad). A seguir é detalhado esse cálculo: O resultado é que o avanço da mesa por volta da fresa é de 1,44 mm. Continuando no raciocínio, temos que em cada volta da fresa a mesa avançou 1,44 mm com a fresa trabalhando em uma rotação de 120rpm. Teve-se que optar pela menor rotação, devido à velocidade de corte. Agora calcula-se o avanço da mesa em um minuto. A fórmula segue: O resultado é que a mesa avançar à 172,8 mm/min, com a fresa trabalhando em 120rpm. O valor de 172,8 mm/min. deve ser selecionado na fresadora. Caso não seja possível, deve-se escolher o avanço menor mais próximo. Isso evitará que cada dente corte um valor acima do recomendado pelo fabricante. O que poderia acarretar um desgaste excessivo e até mesmo a quebra do dente. Agora pode-se entender por que anteriormente observou-se com relação ao cálculo da rpm, se poderia utilizar a maior rotação. A seguir analisa-se em quanto avançaria a mesa, se fosse usada 210rpm em vez de 120. Ou seja, com a fresa trabalhando em 210 rpm, a mesa avançaria 302,4 mm/min. Quanto maior a rotação da fresa, maior o avanço da mesa. O que resultaria em uma maior produtividade em peças dentro de um intervalo de tempo. Lembrando que não optou-se em utilizar o segundo avanço porque comprometeria a ferramenta. A sugestão nesse caso é para se utilizar máquinas com graduação da gama de rotações mais abrangente. Profundidade de corte Finalmente, o último passo antes de usinar uma peça é escolher a profundidade de corte, para saber quantas passadas a ferramenta deve dar sobre a peça a fim de retirar o sobremetal e deixar a peça no tamanho desejado. Trata-se de um dado prático. Depende muito da experiência do técnico em identificar a resistência e robustez da fresadora. Para escolher a profundidade de corte, é preciso antes medir a peça em bruto, a fim de determinar a quantidade de sobremetal a ser removida. Com este dado em mãos, decide-se o número de passadas da fresa sobre a peça. Durante a operação, as passadas são executadas sobre a peça, levantando-se a mesa da fresadora ou abaixando-se a fresa. Afiação Após algum tempo de uso, as ferramentas de corte geralmente se desgastam, apresentando trincas ou deformações na forma e nas propriedades. Devido a este desgaste, as ferramentas ao serem colocadas em trabalho apresentam um rendimento muito ruim e geram problemas como: aquecimento excessivo, aumento do esforço de corte, o acabamento da peça fica ruim e ocorre o aumento do tempo de confecção. Por esses motivos, as ferramentas precisam ser restauradas. As ferramentas de corte requerem, principalmente, afiação. Em geral, as grandes indústrias têm um setor de afiação de ferramentas para restaurar o contorno e o perfil de corte das ferramentas desgastadas. Essa operação é feita principalmente por meio de rebolos adequados a cada tipo de ferramenta, em máquinas denominadas afiadoras de ferramentas. A afiação é a operação de dar forma e perfilar arestas de ferramentas novas (última fase do processo de fabricação) e de restaurar o corte ou o perfil de ferramentas desgastadas pelo uso. A afiação das ferramentas é feita somente nas superfícies que determinam os ‚ ângulos de incidência, de cunha e saída. Os símbolos indicadores de cada um desses ângulos são os seguintes: α - ângulo de incidência; β - ângulo de cunha e γ - ângulo de saída. Quando a ferramenta produz uma determinada quantidade de peças, a aresta de corte sofre um desgaste que dificulta a remoção de cavaco cada vez mais, eleva a temperatura de corte, a potencia da máquina e se não substituída, sofre uma ruptura que leva a quebra total ou parcial da ferramenta e o scrap da peça. Pensando nisso, existe um estudo da quantidade de peças por afiação que o departamento de ferramenta pode promover através do histórico e de um bom acompanhamento nos processo produtivos. O gráfico abaixo demonstra mais detalhadamente uma curva de desgaste e dados para o controle de vidas da ferramenta: Classificação das ferramentas de corte As ferramentas de corte são classificadas em: monocortantes e policortantes. As ferramentas monocortantes têm uma aresta de corte como as ferramentas do torno e da plaina. As ferramentas policortantes têm várias arestas de corte. São as fresas, as brocas, os escareadores e as serras. No caso de afiação de ferramentas por meio de rebolos, é preciso especificar o rebolo adequado ao tipo de material de que foi feita a ferramenta. Geralmente, esses materiais são o aço-carbono, o aço rápido, o metal duro e o sinterizado especial. O aço-carbono é usado em máquinas com baixa velocidade de corte, tem baixa dureza e perde rapidamente o poder de corte. O aço rápido é resistente ao calor e ao desgaste. Antes do aparecimento dos sinterizados, era considerado o material mais adequado para fabricação de ferramentas. O metal duro é obtido por processo de sinterização. Ele permite a fabricação das ferramentas adequadas a trabalhos em alta velocidade, uma vez que resiste a temperaturas de até 900°C. O sinterizado especial é a última geração de material utilizado para a fabricação de ferramentas. Ele está classificado em dois grupos: pastilhas cerâmicas e superabrasivos sinterizados. Refrigeração A boa refrigeração da peças durante o fresamento também é fundamental para um melhor rendimento da ferramenta e pela boa qualidade do produto. São utilizados diversos tipos de refrigerantes, tais como óleos vegetais, óleos de corte preparados, óleos de corte emulsáveis e produtos sintéticos solúvel em água. Suas funções são: - Refrigerar (retirar o calor do local da usinagem); - Lubrificar (diminuir atrito): - Remover cavacos; - Proteger a peça e a máquina contra corrosão. A qualidade dos meios refrigerante e lubrificante, geralmente são contrárias entre si. Assim, para melhor refrigeração e fácil remoção de cavacos é indicado um meio de baixa viscosidade, enquanto que o meio de alta viscosidade tem o filme lubrificante entre a ferramenta e a peça mais resistente. O operador deve sempre estaratento ao fluxo de óleo que sai dos bicos de refrigeração e interromper o ciclo caso ocorra baixa vazão ou falha. A limpeza e verificação dos tanques e reservatórios da máquina devem ser feitas semanalmente para evitar entupimento dos bicos e danificar as bombas. Tomada de Ações na Operação de Fresamento A seguir são apresentadas as ocorrências mais freqüentemente observadas na operação de fresar e as ações indicadas a se tomar: Causa Defeito Ações Dispositivo de fixação sem pressão Acabamento no produto vibrado e geometria torcida. Excesso de lascamento nos dentes da fresa 1) Limpar dispositivo e monta-lo novamente; e ou 2) Substituir o dispositivo e enviar o danificado para recuperar; e ou acionar manutenção. Desalinhamento – entre o centro da fresa e do dispositivo de fixação da peça Conicidade e geometria torcida 3) Acionar o setor de manutenção e solicitar um realinhamento dos puxadores; Fresa com dentes batidos ou com desgaste excessivo Mau acabamento na superfície gerada pela fresa. 4) Enviar a fresa para reafiar e remover desgaste ou lascamento; Folga na mesa da máquina ou na fixação da fresa Largura acima do especificado, acabamento vibrado e lascamento da fresa. 5) Acionar a área de manutenção para ajustar a máquina e remover as folgas; Ferramenta lascada ou sem corte Rebarbas “grandes” e de difícil remoção geradas na saída da fresa 6) Enviar a ferramenta para afiar. Material mole – geração de arestas postiças ou má refrigeração Mau acabamento ou riscos na superfície fresada 7) Verificar dureza do material, reafiar a ferramenta e melhorar a refrigeração. Armazenamento de Fresas Para evitar batidas e outros incidentes com as fresas e que impossibilitem seu uso, sugere-se que sejam devidamente armazenadas em armário apropriado que preserve a região de corte e garanta o adequado manuseio durante o setup. Bibliografia Manual de Cursos Técnicos 2000 - SENAI / SP Dilson Pahl – Apostila Técnica – SP Sucesso aos colegas e parceiros!
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