TM04_Forca_Potencia_Usinagem

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TECNOLOGIA MECÂNICA
Força e potência de usinagem
Prof. Msc. Ramsés Otto Cunha Lima
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Prof. Msc. Ramsés Otto Cunha Lima
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TÓPICOS DE AULA
Introdução;
Força de usinagem no corte oblíquo (tridimensional);
Força de usinagem no corte ortogonal (bidimensional);
Determinação experimental da força de usinagem;
Potência de usinagem;
Medição de potência em usinagem.
TECNOLOGIA MECÂNICA
Força e potência de usinagem
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Força e potência de usinagem
Prof. Msc. Ramsés Otto Cunha Lima
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INTRODUÇÃO
O conhecimento da força de usinagem que age sore a cunha de corte e o estudo de seus componentes são de grande importância, pois possibilitam:
Estimar a potência necessária para o corte;
Estimar as forças atuantes nos elementos da máquina-ferramenta;
Manter relação com o desgaste das ferramentas.
Este estudo causa influência na viabilidade econômica do processo de usinagem.
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FORÇA DE USINAGEM NO CORTE OBLÍQUO (TRIDIMENSIONAL)
A formação dos cavacos nos processos de usinagem ocorre, na maioria das operações reais, tridimensionalmente.
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FORÇA DE USINAGEM NO CORTE OBLÍQUO (TRIDIMENSIONAL)
Por estar no espaço tridimensional, a força de usinagem (FU) possui três componentes básicos que agem diretamente na cunha cortante e, por conseguinte, na estrutura da máquina ferramenta.
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FORÇA DE USINAGEM NO CORTE OBLÍQUO (TRIDIMENSIONAL)
Os três componentes básicos da força de usinagem são:
Força de corte ou força principal de corte (FC):
É a projeção da força de usinagem sobre o plano de trabalho, na direção do corte, dada pela velocidade de corte.
Força de avanço (Ff):
É a projeção da força de usinagem sobre o plano de trabalho, na direção de avanço, dada pela velocidade de avanço.
Força passiva ou força de profundidade (Fp):
É a projeção da força de usinagem perpendicular ao plano de trabalho.
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FORÇA DE USINAGEM NO CORTE OBLÍQUO (TRIDIMENSIONAL)
Além desses componentes básicos, também pode-se identificar outros três componentes importantes:
Força ativa (FTR):
É a projeção da força de usinagem sobre o plano de trabalho.
Força de compressão (Fn):
É a projeção da força de usinagem sobre uma direção perpendicular à superfície principal de corte.
Força de apoio (Fp):
É a projeção da força de usinagem sobre uma direção perpendicular à direção de avanço, situada no plano de trabalho.
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FORÇA DE USINAGEM NO CORTE OBLÍQUO (TRIDIMENSIONAL)
Como a força de usinagem é normalmente decomposta nos seus três principais componentes, vale sempre a relação:
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FORÇA DE USINAGEM NO CORTE ORTOGONAL (BIDIMENSIONAL)
Para simplificar o entendimento da ação das forças de corte na cunha cortante, pode-se usar o modelo de corte ortogonal, no qual todos os componentes atuam em um único plano (o plano de trabalho).
O modelo bidimensional da formação de cavacos permite uma análise vetorial das forças, agindo nas envolvidas: ferramenta, cavaco e peça.
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FORÇA DE USINAGEM NO CORTE ORTOGONAL (BIDIMENSIONAL)
A decomposição da força de usinagem (FU) nas diversas direções obedece a um teorema da geometria que permite representar todos os componentes em um círculo (Círculo de Merchant), onde FU é o seu diâmetro.
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Tanto do ponto de vista prático como do ponto de vista experimental, a medição da força de usinagem pode ser importante em um processo de usinagem específico e em andamento.
Tal medição pode ter a exatidão e a precisão desejadas, dependendo da necessidade, bem como ser apenas de caráter estático, com um valor médio sem preocupação com os componentes dinâmicos inerentes ao processo.
Assim, para estudos grosseiros, e apenas para estimativa de potência requerida de corte, a medição estática é suficiente.
No entanto, para estudos detalhados de formação de cavacos ou de estabilidade dinâmica da máquina-ferramenta, a medição do componente dinâmico é necessária.
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Nesse caso, usam-se dinamômetros que devem atender a certos requisitos:
Sensibilidade:
Relação entre a grandeza indicada pelo dinamômetro e a que está sendo medida.
Exemplo: Se a grandeza medida é a força (N) e o dinamômetro se deforma proporcionalmente a essa força, a sensibilidade será a relação entre a deformação e a grandeza lida em N.
Precisão:
Está associada à sua capacidade de reproduzir o valor da grandeza medida o mais próximo possível do valor real, excluindo-se os erros sistemáticos e aleatórios.
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Nesse caso, usam-se dinamômetros que devem atender a certos requisitos:
Rigidez:
O dinamômetro não deve influenciar a força que está sendo medida (força de usinagem).
Se o dinamômetro se deformar excessivamente durante a medição, afetará os valores que influenciam no resultado.
Também está associada à frequência natural de vibração do dinamômetro.
Exatidão:
O dinamômetro deve ser capaz de reproduzir as medições sem distorção, ou seja, para medições no tempo, não devem ocorrer atrasos em relação ao fenômeno que está sendo medido, nem alterações por conta da variação da frequência.
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Nesse caso, usam-se dinamômetros que devem atender a certos requisitos:
Insensibilidade em relação à temperatura e à umidade:
O aparelho deve ser capaz de medir em aceitáveis variações de temperatura e umidade, normalmente presentes nos processos de usinagem.
Mínimo efeito cruzado:
A excitação de força em um eixo em um eixo do dinamômetro não deve interferir nos demais, sob pena de superestimar valores reais em apenas um eixo, com registro de efeito cruzado nos demais.
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Princípio de medição por extensômetros (strain gauges):
Extensômetros são transdutores que convertem deformação mecânica em variação de tensão elétrica.
Princípio básico: Todo condutor elétrico tem sua resistência elétrica modificada sob tensão mecânica.
Essa mudança na resistência elétrica é parcialmente devida à deformação, bem como à mudança na resistividade do material, causada pelas mudanças microestruturais.
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Princípio de medição por extensômetros (strain gauges):
Relação entre a mudança na resistência elétrica e a deformação para vários materiais (HOFFMAN, 1989).
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Princípio de medição por extensômetros (strain gauges):
Relação SR em função da resistência elétrica para diferentes orientações cristalográficas para monocristais
do tipo p e n (HOFFMAN, 1989).
As características desse efeito também são sensíveis à orientação cristalográfica e à resistência elétrica.
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Princípio de medição por extensômetros (strain gauges):
Extensômetros medem deformações muito pequenas.
Portanto, as mudanças em resistência elétrica também são muito pequenas e, raramente, podem ser medidas por ohmímetros.
Diagrama de medição de deformação usando extensômetro:
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Princípio de medição por extensômetros (strain gauges):
A maioria dos extensômetros são utilizados para medição de deformações em uma direção apenas.
Embora possam ser combinados para medição de diferentes direções, há outros já preparados para esse fim.
A medição de deformações por extensômetros está sujeita à interferência da temperatura, parâmetro que deve ser compensado.
Essa técnica é bastante utilizada já que, pela Lei de Hooke, pode-se calcular as tensões e, consequentemente, os componentes da força de usinagem.
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Princípio de medição por cristais piezoelétricos:
Piezoeletricidade é a propriedade de alguns cristais de se polarizar eletricamente quando submetidos a deformações elásticas. Há também o efeito inverso.
Para a medição de componentes da força de usinagem, cristais piezoelétricos são introduzidos entre partes metálicas de dinamômetros a fim de medir a a tensão elétrica gerada durante o esforço.
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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA FORÇA DE USINAGEM
Princípio de medição por cristais piezoelétricos:
Os dinamômetros piezoelétricos são, em geral, mais compactos que os fabricados com extensômetros, além de serem mais rígidos mecanicamente.
Assim a medição de força se torna menos intrusiva, permitindo medições de fenômenos com frequências mais altas.
A medição de força de usinagem por meio de dinamômetros piezoelétricos necessita, também, do uso de amplificadores de carga, uma vez que essas cargas e, consequentemente, as tensões elétricas geradas pelos esforços nos cristais, são muito baixos.
Sensíveis à umidade e variações de temperatura.
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POTÊNCIA DE USINAGEM
A potência de usinagem resulta da soma das potências necessárias para cada componente da força de usinagem (FC, Ff).
Os valores de potência obtidos para motores de acionamento na direção do avanço são, geralmente, bem menores que os da direção de corte, ou seja, no eixo árvore das máquinas.
Isso se deve ao fato de as forças de avanço serem, na maioria das vezes, muito menores que as de corte e, para condições de corte usuais, as velocidades de avanço são cerca de mil vezes menores que as de corte.
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POTÊNCIA DE USINAGEM
Proporção entre os componentes da força de usinagem para torneamento de aço.
Para usinagem de aços comuns com ferramenta de metal duro, tem-se a seguinte proporção média: 
FC : Fp : Ff = 4,5 : 2,5 : 1
Com essas proporções em mente, em geral, somente o cálculo da força de corte é suficiente para que se proceda a seleção de uma máquina-ferramenta, com base na potência requerida para a operação de usinagem.
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MEDIÇÃO DE POTÊNCIA EM USINAGEM
A potência de usinagem pode ser medida, experimentalmente, por meio da tensão e da corrente elétrica consumida.
Devido à natureza nem sempre linear dessas grandezas e à defasagem entre elas no tempo, a obtenção da potência por esse método não é uma operação tão simples.
A potência instantânea pode ser dada por:
Pi = V(t) . I(t)		[W]
Onde: Pi = potência instantânea
	V(t) = tensão medida no tempo
	I(t) = corrente elétrica medida no tempo 
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MEDIÇÃO DE POTÊNCIA EM USINAGEM
A tensão pode ser medida por voltímetros, a fim de obter-se a medição contínua em processo, caso necessário.
Para a medição da corrente, pode-se usar amperímetros ligados em série dentro do circuito, o que pode causar intrusão em máquinas-ferramentas.
Para evitar essa intrusão, usam-se dispositivos de Efeito Hall.
Efeito Hall: Uma corrente elétrica fluindo ao longo de uma placa pode causar diferença de potencial proporcional em direção perpendicular, tanto ao campo magnético quanto à corrente.
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MEDIÇÃO DE POTÊNCIA EM USINAGEM
Exemplo de sensor de Efeito Hall usado para medir corrente elétrica.