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Grupo de Projeto Fabricação Automação Industrial ENG03386 – FABRICAÇÃO AUXILIADA POR COMPUTADOR FRESAMENTO Heraldo Amorim Porto Alegre, 2014 O fresamento é caracterizado, segundo Diniz et al., 1999, por: Ferramenta provida de arestas cortantes dispostas em torno de um eixo; Movimento de corte proporcionado pela rotação da fresa ao redor de seu eixo; Movimento de avanço realizado pela própria peça. Processo de fabricação por vezes lento, o fresamento apresenta como vantagem principal a versatilidade. Este processo pode gerar superfícies não planas e não de revolução, ao contrário de alguns outros processos de usinagem (p. ex., o processo de torneamento gera apenas superfícies de revolução). Diniz, 1999, compara o frsamento com alguns outros processos de fabricação usados para a geração de superfícies não planas e não de revolução (Erro! Fonte de referência não encontrada.). Tabela 1 – Comparação entre fresamento e outras operações de usinagem. Fresamento Aplainamento Mais barato Máquina e manutenção mais baratas. Ferramenta mais fácil de afiar Fresamento Brochamento externo No brochamento, a usinagem torna-se impossível quando a superfície usinada intersecciona outra. Mais econômico para grandes lotes; Maior produtividade. Fresamento Retificação Maior capacidade de remoção de cavaco. Melhor tolerância e acabamento superficial; Maior facilidade de usinar peças tratadas termicamente. 1. TIPOS DE FRESAMENTO As operações de fresamento (Figura 1) dividem-se basicamente em: Fresamento tangencial ou periférico Fresamento frontal ou de topo Fresamento tangencial – dentes ativos encontram-se na periferia (superfície cilíndrica) da ferramenta, e o eixo da ferramenta é paralelo à superfície a ser usinada. As ferramentas usadas no fresamento tangencial são chamadas fresas cilíndricas ou tangenciais. Fresamento frontal – dentes ativos estão na superfície frontal da ferramenta, cujo eixo é perpendicular à superfície a ser usinada. As ferramentas usadas no fresamento frontal são chamadas fresas frontais ou de topo. Diferente do torneamento Em alguns casos, fresas realizam mais de um tipo de corte. Na própria Figura 1 é possível identificar com mais clareza o corte tangencial do que o corte frontal. Dessa maneira, chama-se fresas de múltiplos cortes as fresas que realizam mais de um tipo de corte simultaneamente. Figura 1 – Operações de fresamento. Fonte: Stemmer, 1992. 2. PARÂMETROS DE PROCESSO NO FRESAMENTO Alguns parâmetros de processo relativos ao fresamento são similares aos estudados no processo de torneamento, mudando apenas a forma de representá-los. Desse modo, a velocidade de corte, o avanço e a velocidade de avanço dispensam maior atenção. Deve-se apenas atentar para o fato que, uma vez que no fresamento a rotação é observada no eixo da ferramenta, a velocidade de corte é observada na periferia desta (Figura 2). Figura 2 – Direção dos movimentos de corte e de avanço. Fonte: Diniz et al., 1999. Outros parâmetros de processo importantes no fresamento (Figura 3) são: Avanço por dente (fz) – percurso percorrido por um dente em uma revolução da ferramenta. Representa a distância entre duas superfícies consecutivas na direção de avanço (equação 1). Ângulo da direção de avanço () – ângulo entre as direções de corte e de avanço. Varia continuamente durante o processo. Ângulo da direção efetiva () – ângulo ente a direção de corte e a direção efetiva. Varia continuamente durante o processo (equação 2). Avanço de corte (fc) – distância entre superfícies consecutivas em usinagem medida no plano de trabalho e perpendicular à direção de corte (equação 3). Z f f Z , (1.) Onde Z é o número de dentes da fresa. cos sen f c V V tg (2.) sen.Zc ff , (3.) Figura 3 – Grandezas de avanço. Fonte: Diniz et al., 1999. Uma diferença significativa entre os processos de torneamento e fresamento é que, no último, os ângulos da direção efetiva () e da direção de avanço (), que no torneamento são constantes, variam continuamente durante a operação de fresamento. 3. GRANDEZAS DE PENETRAÇÃO Uma diferença forte entre as operações de torneamento e fresamento é que esta possui três parâmetros de penetração (Figura 4). São eles: Profundidade ou largura de usinagem (ap) – profundidade ou largura de penetração da ferramenta na direção perpendicular ao plano de trabalho. Penetração de trabalho (ae) – penetração da ferramenta medida no plano de trabalho e perpendicular à direção de avanço. Apesar de não ser usada no processo de torneamento, é muito importante no fresamento e na retificação plana. Penetração de avanço (af) – penetração da ferramenta na direção de avanço. Figura 4 – Grandezas de penetração para o fresamento tangencial (a) e frontal (b). Fonte: Diniz et al., 1999. 4. GEOMETRIA DA FERRAMENTA Planos do sistema de referência (Figura 5) – basicamente os mesmos observados no torneamento, mudando apenas a representação. Geometria de ferramenta – apesar das diferenças entre os dois processos, a ferramenta de fresamento possui geometria semelhante à de torneamento (Figura 6). Assim, tanto os elementos (b) (a) da parte cortante (Figura 7) quanto os ângulos da ferramenta (Figura 8) são representados de forma semelhante ao estudado neste. Figura 5 – Sistema de referência da ferramenta. Fonte: Diniz et al., 1999. Figura 6 – Semelhança entre ferramentas de torneamento e fresamento. Fonte: Stemmer, 1992. Figura 7 – Arestas de corte e superfícies da parte de corte em uma fresa frontal. Fonte: Diniz et al., 1999. Figura 8 – Ângulos da ferramenta em uma fresa de faceamento. Fonte: Diniz et al., 1999. 5. FRESAMENTO TANGENCIAL Pode ser concordante ou discordante, dependendo do sentido de rotação da ferramenta. Fresamento discordante (Figura 9) – movimento de corte (rotação da fresa) ocorre no sentido contrário ao do movimento de avanço (lembre-se que o avanço considerado é sempre da mesa em relação ao eixo árvore). Um conceito importante na compreensão dos tipos de fresamento (concordante ou discordante) é o ângulo da direção de avanço (). Este ângulo pode ser definido como o ângulo entre uma linha que, passando pelo centro da ferramenta, toca o ponto no qual a espessura de corte (hD) é zero outra que toca o ponto de contato ferramenta peça. Assim, durante o fresamento discordante, cresce desde zero até um valor máximo (0). Da mesma maneira que , a espessura de corte aumenta de zero até um máximo (hD max). No início do corte, a fresa toca a peça e a força para baixo, causando uma força que tende a afastá-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, além de causar um encruamento superficial na zona de contato inicial aresta-peça. Figura 9 – Fresamento tangencial discordante. Fonte: Diniz et al., 1999. Fresamento concordante (Figura 10) – ângulo da direção de avanço () inicia o corte em seu valor máximo, decrescendo até zero. O sentido do movimento de avanço é o mesmo do movimento rotatório da fresa. Componente vertical de força de usinagem possui sempre o mesmo sentido, o que elimina os efeitos negativos observados no fresamento discordante. Contato da fresa com a peça inicia em b (hDmax.) 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 de avanço deve suportar esforços no outro. Como a Fres 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. Figura 10 – Fresamento tangencial concordante. Fonte: Diniz et al., 1999. 6. FORMA DO CAVACO No fresamento tangencial: - Forma de vírgula, com a espessura de corte variando de zero a um valor máximo (discordante) ou do valor máximo a zero (concordante). O ângulo de contato do dente com a peça (0) é dado por D a D aeD e21 2 cos (4.) 2/1 2 0 ..2sen. D a D a ffh eezzD (5.) 7. FRESAMENTO FRONTAL: Pode-se classificar o fresamento frontal (Figura 11) em: Simétrico: deslocamento da fresa sobre o eixo de simetria da peça. Melhor contato de cada aresta com peça, maior vida da ferramenta. a) fresamento de rasgo ou canal com fresa de topo: Dae º180o ZmáxD fh 0 min Dh b) fresamento comum com fresa de facear: Dae D ae 2 sen 0 0 min Dh e zmáxD fh Assimétrico com fresa de facear – Corte não se dá sobre o eixo de simetria da peça. Se toda a superfície está sendo fresada, Dae , 0 min Dh , zmáxD fh Vantagens – maior número de dentes em contato simultaneamente, o que resulta em um corte mais suave, com menor força por dente, e menor tendência a vibrações. Figura 11 – tipos de fresamento frontal. Fonte: Diniz et al., 1999. 7.1 Comparação entre corte simétrico e assimétrico Corte Simétrico – menor desgaste, maior vida da ferramenta. Isto se deve ao menor angulo de contato ferramenta-peça, que faz com que a ferramenta percorra um percurso menor sobre a peça. hDmin em corte simétrico > hDmin para assimétrico (em faceamento). Maior impacto na entrada do dente, devido ao contato inicial se dar com uma espessura de cavaco maior do que o observado para o fresamento frontal assimétrico. Corte Assimétrico – maior tendência ao desgaste, devido ao maior ângulo de contato ferramenta-peça. Espessura do cavaco no ponto de contato inicial ferramenta-peça menor do que a observada para o corte simétrico, de modo que há menor tendência à ocorrência de lascamento. Corte mais suave, devido ao maior número de dentes em corte simultâneo (maior ângulo de contato). Usando J (Figura 11 c) pequeno, hD na entrada diminui, o que resulta em menor impacto na entrada da ferramenta (menor energia de choque). Segundo Diniz et. al., usando corte assimétrico com J pequeno, obteve-se uma vida de ferramenta 24% maior do que com corte simétrico (na usinagem de aço ABNT 1045 com ferramenta de metal duro P25). Obviamente, este resultado depende do aço usinado e da ferramenta utilizada. Se a ferramenta fosse mais tenaz, talvez o corte simétrico propiciasse maior vida de ferramenta. Convém chamar a atenção para a questão da vida da ferramenta: apesar do corte simétrico causar menor desgaste de ferramenta, o corte assimétrico permite melhores condições de trabalho, incluindo menores vibrações, esforços por dente e impacto na entrada da aresta na peça. Assim, antes de afirmar que um ou outro propicia maior vida de ferramenta, deve-ser conhecer o material a ser usinado e o da fresa, bem como as condições de trabalho enfrentadas por estas. Ou seja, não adianta uma determinada fresa apresentar menor desgaste sob fresamento simétrico se o seu fim de vida ocorrer de forma catastrófica (lascamento, quebra). 8. FRESAMENTO TANGENCIAL COM FRESAS HELICOIDAIS No fresamento tangencial discordante com fresas de dentes retos, a força de corte, bem como a seção do cavaco, aumenta rapidamente com o ângulo , caindo bruscamente a zero quando = 0 (Figura 12). O contrário de verifica no fresamento tangencial concordante. Figura 12 – Variação da seção do cavaco durante o processo de fresamento discordante. Fonte: Diniz 1999 et al., 1999. Já no fresamento tangencial com fresas helicoidais a variação na força de corte não é tão pronunciada quanto no fresamento com dentes retos. Nesta operação, a área da seção do cavaco cresce de zero a um valor máximo, mas mantém este valor por alguns instantes, e não volta necessariamente a zero. A Figura 13 mostra a variação da área da seção do cavaco para o fresamento tangencial com fresa helicoidal de 4 dentes, e a Figura 14 mostra a área de contato ferramenta-peça. Figura 13 – Variação da seção do cavaco durante o processo de fresamento com fresa helicoidal de 4 dentes. Fonte: Diniz 1999 et al., 1999. Figura 14 – Área de contato ferramenta-peça no fresamento com fresa helicoidal. Fonte: Diniz et al., 1999. Caso a fresa tivesse 8 dentes, a superposição seria maior, com um corte mais uniforme. Quanto maior o número de arestas, mais a área da seção do cavaco tende a ser constante. Podem-se obter forças resultantes aproximadamente iguais a uma reta. Isto acontece quando a largura da peça é igual a um múltiplo inteiro do passo da fresa. Condições de usinagem em fresas helicoidais são melhores (menor oscilação da força de usinagem, menor força máxima, melhor acabamento superficial dos componentes produzidos), sendo seu uso preferido sempre que possível. 8.1 Considerações a respeito das fresas helicoidais Na usinagem com fresas helicoidais observa-se uma força de corte média resultante maior do que a observada para dentes retos, o que implica em maior potência necessária. Além disso, a inclinação dos dentes gera uma força na direção axial, sujeitando o eixo-árvore a esforços. Por isso não se usa fresas com ângulo de inclinação maior de 45%. A solução mais comumente adotada para o problema da força axial é a montagem de duas fresas com hélice invertida (Figura 15). Figura 15 – Montagem em par de fresas helicoidais. Fonte: Stemmer, 1992. Fresas com dentes curtos possuem dentes retos, pois a pouca redução na variação dos esforços não compensa o uso de fresas com dentes helicoidais. 9. DESGASTE DA FERRAMENTA EM FRESAMENTO Além dos fenômenos já estudados no capítulo 8 (atrito, adesão), a fresa está sujeita a choques mecânicos e térmicos, podendo apresentar fadiga de origem mecânica (marcas paralelas à aresta de corte) ou térmica (marcas perpendiculares à aresta – forma de pente), dependendo do mecanismo predominante. 10. CÁLCULO DA POTÊNCIA DE CORTE Sabe-se que, na operação de fresamento, a força de corte (e, por conseqüência, a potência) varia continuamente durante o corte. Desse modo, torna-se necessária a determinação de um parâmetro de potência, a partir do qual a máquina será dimensionada. Para a grande maioria das aplicações, este dimensionamento pode ser feito através da potência média, com boa aproximação se o número de dentes cortando simultaneamente é alto. De forma análoga ao torneamento, utiliza-se a equação de Kienzle (agora com constantes especialmente determinadas para o caso do fresamento – Erro! Fonte de referência não encontrada.) para a determinação de Ksm (pressão específica de corte média): Z m s sm h K K 1 , (6.) onde hm é a espessura média do cavaco. Para o cálculo da potência de corte, usa-se a equação 7: ][ 10.60 ... 6 kW VaaK N fpesm cm (7.) O cálculo de hm pode ser realizado pela equação 8: )cos.(cossen.. 1 21 21 rzm xfh , (8.) Onde: 1 – ângulo entre o ponto de entrada do dente e a vertical; 2 – ângulo entre o ponto de saída do dente e a vertical; 0 – ângulo de contato dente-peça. A equação (8) pode ser utilizada para operações de fresamento frontal. Para o fresamento tangencial com entes retos, assume-se 1 = 0, 2 = 0 e r = 90°. Assim, de (8), sobra: n V D a fh fe zm .2 . 2 . 1 )cos1.(. 1 0 01 0 , (9.) Tabela 2 – Constantes da equação de Kienzle para o fresamento (fonte: Diniz et. al., 1999). Material da peça Ks1 (N/mm") -Z Dureza (HB) Aços sem liga - C =0,1 O a 0,25% - C = 0,25 a 0,55% - C = 0,55 a 0,80% 1500 1600 1700 0,25 0,25 0,25 125 150 170 Aços Baixa Liga (elementos de liga <5%) 1700 0,25 175 Aços Alta Liga (elementos de liga >5%) 1950 0,25 200 Aços Inoxidáveis - Austeníticos - Ferríticos/ Martensíticos 2000 1800 0,21 0,21 200 200 Ferros Fundidos Cinzentos - Alta Resistência à Tração - Baixa Resistência à Tração 1100 900 0,28 0,28 245 180
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