TM05_Temperatura_Usinagem

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TECNOLOGIA MECÂNICA
Temperatura no processo 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;
Temperatura na formação de cavacos: FEM;
Medição da temperatura de usinagem.
TECNOLOGIA MECÂNICA
Temperatura no processo de usinagem
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Temperatura no processo de usinagem
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INTRODUÇÃO
Maior parte potência consumida na usinagem  Calor (aresta de corte).
Esse aquecimento é responsável por muitos problemas técnicos e econômicos.
Importante compreender:
Fatores que influenciam a geração de calor;
Como fluxos de calor e temperatura são distribuídos na ferramenta e na peça.
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INTRODUÇÃO
A partir desse calor e das massas, bem como geometria e propriedades dos materiais, criam-se diversos campos de temperatura com distribuição própria.
A força de usinagem provoca deformações no cavaco, na peça, na ferramenta de corte e na própria máquina.
Quando o cavaco se desloca na superfície de saída da ferramenta de corte, ocorre atrito.
Trabalho dessas forças
CALOR
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INTRODUÇÃO
Geração de mais calor ( Temperatura)
Aumento do atrito
Aceleração dos desgastes
Altera propriedades físicas e mecânicas
Temperaturas atingidas nas usinagem
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INTRODUÇÃO
Em termos de produtividade na operação de usinagem:
 Desgaste
Altera propriedades mecânicas
 Temperatura
 Velocidade, avanço e profundidade de corte
 Drástica de produtividade!!
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INTRODUÇÃO
Em usinagem, praticamente todas as energias consumidas são convertidas em calor.
Energia de cisalhamento por unidade de volume de material removido no plano de cisalhamento primário;
Energia principal (cisalhamento) por unidade de volume de material removido no plano de cisalhamento secundário.
Somente uma pequena porcentagem (1 a 3%) não é convertida em energia térmica.
Parte retida no sistema como energia elástica;
Parte associada à geração de novas superfícies (peça e cavaco).
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INTRODUÇÃO
Porções de energia na usinagem de aço e de ferro fundido:
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INTRODUÇÃO
Zonas de geração de calor durante o processo de usinagem:
Zona de cisalhamento primário (A);
Zona de cisalhamento secundário (B, C);
Zona de interface entre peça e superfície de folga da ferramenta (D).
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INTRODUÇÃO
Calor na zona de cisalhamento primário:
Provém do trabalho de cisalhamento interno do material.
Calor nas zonas de cisalhamento secundário e interface peça-sup. de folga:
Provém do atrito e do cisalhamento interno provocado pela aderência entre superfícies.
Calor no plano de cisalhamento pode ser benéfico:
Aumenta temperatura nas zonas primária e secundária;
Diminui resistência do material da peça.
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INTRODUÇÃO
Calor na zona secundária de cisalhamento:
Influência sobre o desempenho da ferramenta;
Fator limitante para taxa de redução de material (↑ Vc).
Contato entre superfície de folga da ferramenta e peça:
Pode ocorrer mesmo sem desgaste de flanco (deformação mínima);
Pode contribuir para amento da temperatura da peça e ferramenta.
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INTRODUÇÃO
Grande parte do calor gerado é dissipada pelo cavaco, uma pequena porcentagem é dissipada pela peça e uma outra para o meio ambiente, o restante vai para a ferramenta de corte. 
A temperatura do cavaco terá pouca influência na temperatura da ferramenta, a não ser que haja zona de fluxo formada.
O aumento da temperatura associado com esse calor é significativo, podendo chegar a 1100°C, comprometendo a resistência da ferramenta.
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INTRODUÇÃO
Temperaturas máximas da interface ferramenta/cavaco (superfície de saída) na usinagem de vários materiais com ferramenta de HSS, em função da velocidade de corte:
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INTRODUÇÃO
Pelo menos três parâmetros metalúrgicos devem influenciar a temperatura da ferramenta:
O ponto de fusão do principal elemento químico do material da peça, (↑ ponto de fusão desse elemento, ↑ temperatura da interface cavaco/ferramenta para qualquer Vc);
Elementos de liga que elevam a resistência do material da peça aumentam a temperatura da interface para qualquer taxa de remoção de material;
A presença de fases de baixa resistência ao cisalhamento na interface (tais como MnS e grafita), que podem reduzir a temperatura.
Para usinagem com ângulos de folga pequenos (< 2º), ou desgaste de flanco com proporções consideráveis, a interface peça/superfície de folga da ferramenta se torna a 3ª fonte importante de calor.
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TEMPERATURA NA FORMAÇÃO DE CAVACOS: FEM
O calor gerado durante a formação de cavacos tem sido extensivamente estudado por meio de técnicas analíticas, baseadas em:
Modelos desenvolvidos na metade do século XX;
Corte ortogonal.
Outra técnica usada para estimar a temperatura na regição da formação de cavaco é a FEM (Finite Elements Method).
Há duas maneiras de usar esse método para para a estimativa da temperatura na região da formação de cavacos:
Modelos inversos nos quais se estima a potência das fontes de calor segundo critérios prévios (% potência total, calculada ou medida pela força de corte);
Tem-se como variáveis de entrada ferramenta, material da peça, condições de corte, propriedades físicas, comportamento mecânico dos materiais e configuração geométrica da operação de usinagem.
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TEMPERATURA NA FORMAÇÃO DE CAVACOS: FEM
Estimativa de temperatura pra inserto torneando aço 52100 com:
2% da potência total de usinagem sendo transferida para o inserto;
60 HRC;
vc = 250 m/min;
f = 0,5 mm/rev;
ap = 0,5 mm.
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TEMPERATURA NA FORMAÇÃO DE CAVACOS: FEM
Exemplo de distribuição de temperatura obtido por FEM mediante a um modelo de formação de cavacos:
Cortando aço 4340;
48-50 HRC;
Vc = 150 m/min;
f = 0,17 mm/ver;
Corte ortogonal.
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MEDIÇÃO DA TEMPERATURA DE USINAGEM
Vários métodos práticos e analíticos vem sendo desenvolvidos ao longo do tempo com o objetivo de determinar a temperatura gerada durante o processo de usinagem. 
Porém nenhum desses métodos é aceito como absoluto.
Os métodos práticos mais utilizados atualmente são:
Medição por termopares inseridos na ferramenta;
Medição da força termoelétrica entre a ferramenta e a peça;
Medição por radiação de calor com sensores infravermelhos;
Medição utilizando vernizes termosensíveis;
Medição por propriedades metalográficas;
Medição usando sais com diferentes temperaturas de fusão;
Medição usando o
método do filme PVD.
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MEDIÇÃO POR TERMOPARES INSERIDOS NA FERRAMENTA
O termopar funciona com base no princípio do Efeito Termoelétrico:
Uma junção de materiais distintos produz uma tensão elétrica cujo valor depende dos materiais que compõe tal junção e da temperatura a que está submetida.
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MEDIÇÃO POR TERMOPARES INSERIDOS NA FERRAMENTA
Para aplicação em medição de temperatura na região de formação de cavaco, os termopares são inseridos em furos que causem a menor perturbação possível no campo de temperatura local.
Geralmente os furos são feitos por eletroerosão.
A inserção se dá nas mais diversas posições da ferramenta de corte, por exemplo, em processo de torneamento:
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MEDIÇÃO POR TERMOPARES INSERIDOS NA FERRAMENTA
Efeito da velocidade de corte na temperatura para diferentes materiais de insertos usando termopares inseridos (f = 0,06 mm/rev; ap= 0,5 mm).
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MEDIÇÃO POR TERMOPARES INSERIDOS NA FERRAMENTA
Efeito do avanço na temperatura para diferentes materiais de insertos usando termopares inseridos (vc = 70 m/min; ap= 2 mm).
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MEDIÇÃO DA FORÇA TERMOELÉTRICA ENTRE A FERRAMENTA E A PEÇA
A técnica de termopar inserido no inserto exige que se faça furos na ferramenta, o que enfraquece a aresta de corte, impossibilitando:
Medição de temperatura muito próxima à interface entre a ferramenta e o cavaco;
Medição de temperatura entre a ferramenta e a peça.
Na técnica do termopar ferramenta/peça, tal interface pode ser tratada como a junta de teste ou junta quente de um termopar, devido a:
Contato intimo entre a ferramenta e a peça;
Diferentes propriedades dos materiais.
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MEDIÇÃO DA FORÇA TERMOELÉTRICA ENTRE A FERRAMENTA E A PEÇA
Ponto Q = junção quente; Pontos F1, F2, F3 e F4 = junções frias. 
A cuba é preenchida com mercúrio para contato elétrico do disco com o elemento E (fechamento do circuito).
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MEDIÇÃO DA FORÇA TERMOELÉTRICA ENTRE A FERRAMENTA E A PEÇA
Fios A1 e A2 conectam o sistema com o milivoltímetro V (indica a f.e.m. gerada). 
O sistema pode ser calibrado para fornecer valores de temperatura em °C.
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MEDIÇÃO DA FORÇA TERMOELÉTRICA ENTRE A FERRAMENTA E A PEÇA
O método de calibração consiste em contato, sob pressão, da aresta da ferramenta e do material a ser usinado com aquecimento da peça.
Um termopar calibrado previamente é inserido na peça próximo ao contato, servindo como padrão de temperatura.
Sistema deve ser isolado termicamente para evitar diferença de temperatura entre ponto de medição e região doe contato do termopar.
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MEDIÇÃO DA FORÇA TERMOELÉTRICA ENTRE A FERRAMENTA E A PEÇA
Temperatura na interface ferramenta/cavaco usando a técnica do termopar ferramenta/peça usinado a liga de Al com ferramenta de PCD, efeito na VC, f e temperatura
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MEDIÇÃO POR RADIAÇÃO DE CALOR COM SENSORES INFRAVERMELHOS
A medição de temperatura por meio de radiação utilizando sensores infravermelhos, ou pirômetros, é bastante utilizada para obtenção da temperatura da superfície da peça, do cavaco ou da ferramenta.
Baseia-se na emissão de radiação infravermelha, que está associada ao calor dos corpos, pois todos emitem radiação térmica no campo dos infravermelhos.
Esse método de medição de temperatura em usinagem, no entanto, só permite a medição em superfícies expostas durante a operação, e sua principal vantagem é não se ter necessidade de contato com a superfície que está sendo medida.
No entanto, a presença de fluidos de corte altera a emissão de raios infravermelhos e a temperatura nas interfaces não pode ser avaliada por esse método.
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MEDIÇÃO POR RADIAÇÃO DE CALOR COM SENSORES INFRAVERMELHOS
O calor irradiado pela ponta da ferramenta é projetado, por meio de um sistema de lentes, no termopar, o qual produz uma d.d.p. proporcional à temperatura naquela região. 
A f.e.m. gerada é medida através do milivoltímetro. O sistema pode ser calibrado de modo a fornecer valores da temperatura na região da ferramenta, em qualquer unidade.
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MEDIÇÃO POR RADIAÇÃO DE CALOR COM SENSORES INFRAVERMELHOS
Resultado da temperatura em fresamento medida pela técnica de radiação infravermelha:
Aço ABNT S12L14;
Ferramenta de HSS;
ap = 1 mm;
fz = 0,05 mm/dente.
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MEDIÇÃO UTILIZANDO VERNIZES TERMOSENSÍVEIS
Consiste na utilização de vernizes com capacidade de mudança de cor a determinadas temperaturas devido a:
Propriedades específicas das substâncias;
Reações químicas iniciadas pela temperatura.
Esta técnica é aplicada somente em superfícies acessíveis sob condições de regime permanente.
Ferraresi cita o uso de lápis indicador de temperatura para controlar a vida das ferramentas pluricortantes:
Tal controle baseia-se no princípio de que cargas iguais na aresta das ferramentas originam temperaturas iguais; 
A aresta mais carregada aquece-se mais e a menos carregada aquece-se menos.
A utilização do lápis indicador de temperatura permite determinar as ferramentas mais sobrecarregadas.
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MEDIÇÃO POR PROPRIEDADES METALOGRÁFICAS
A distribuição da temperatura de corte pode ser obtida através da inspeção metalográfica da própria ferramenta. 
A dureza à temperatura ambiente do aço carbono endurecido e do aço rápido decresce após o seu reaquecimento, e a redução na dureza depende da temperatura e do tempo de aquecimento.
Calibrando-se a dureza x temperatura e o tempo de aquecimento, uma família de curvas pode ser obtida.
Uma técnica permite avaliar a distribuição de temperatura em insertos de metal duro pela substituição do elemento ligante normalmente usado (Co) por ferro e ferro-silício, com diferentes teores. 
Como cada ligante possui uma temperatura específica de fase, pode-se determinar as isotérmicas nas ferramentas.
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MEDIÇÃO POR PROPRIEDADES METALOGRÁFICAS
Resultado em uma ferramenta após usinar aço de baixo carbono por 30 s sob diversas velocidades de corte (f = 0,25 mm/rev):
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MEDIÇÃO POR PROPRIEDADES METALOGRÁFICAS
Influência do avanço nas temperaturas das ferramentas usadas para cortar aço com avanços de:
a) f = 0,125 mm/rev;
b) f = 0,250 mm/rev;
c) f = 0,500 mm/ver.
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MEDIÇÃO POR PROPRIEDADES METALOGRÁFICAS
A influência da utilização de
um fluido de corte e da direção de sua aplicação: 
a) Usinagem sem fluido de corte;
b) Fluido de corte aplicado sobre-cabeça;
c) Fluido de corte aplicado entre a superfície principal de usinagem da peça e a superfície de folga da ferramenta.
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MEDIÇÃO USANDO SAIS COM DIFERENTES TEMPERATURAS DE FUSÃO
Esta técnica consiste na utilização de sais com ponto de fusão bem definido tais como NaCl, KCl, CdCl, PbCl2, AgCl, KNO3, para determinação da distribuição da temperatura no corpo da ferramenta de corte.
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MEDIÇÃO USANDO SAIS COM DIFERENTES TEMPERATURAS DE FUSÃO
Em primeiro lugar, divide-se o inserto em duas partes de iguais dimensões, 
Depois deve-se umedecer as superfícies retificadas com uma solução de silicato de sódio para melhorar a adesão do sal que será posteriormente espalhado por estas superfícies. 
Terminadas essas etapas, as partes são unidas e processa-se a usinagem durante um tempo suficiente, até que o sistema entre em regime.
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MEDIÇÃO USANDO SAIS COM DIFERENTES TEMPERATURAS DE FUSÃO
Após o corte, a ferramenta é novamente separada e a isotérmica gerada pela fusão do sal pode ser identificada pela linha gerada entre o sal que sofreu fusão e o que permaneceu sem transformação.
Repetindo-se o processo com vários tipos de sais (com pontos de fusão diferentes), e com ferramentas de mesmo material, pode-se determinar a distribuição de temperatura no plano ortogonal ã aresta da ferramenta de corte.
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MEDIÇÃO USANDO O MÉTODO DO FILME PVD
Este método consiste da deposição de finas camadas de diversos materiais com pontos de fusão específicos numa superfície perpendicular à superfície de saída de insertos de metal duro.
Após a deposição do filme de um determinado material, as partes da ferramenta são unidas e posta para usinar um disco num processo de corte ortogonal.
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MEDIÇÃO USANDO O MÉTODO DO FILME PVD
Fotomicrografia da superfície de material depositado fundido em um inserto de metal duro após o corte ortogonal de um aço carbono com 0.55% C, com:
Vc = 200 m/min;
f = 0,2 mm/rev;
ap = 2 mm;
tempo = 5 segundos. 
O contorno entre a zona de filme fundido e a zona de filme não fundido é claramente identificada na figura. 
O material depositado neste caso foi o telúrio com um ponto de fusão de 450 ºC.
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