Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
UNIVERSIDADE REGIONAL INTEGRADA DO ALTO URUGUAI E DAS MISSÕES DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO ENGENHARIA MECÂNICA Práticas Industriais: Propriedades dos Materiais, Princípios de Metrologia e Usinagem Integrantes do Grupo Welerson Ricardo Bolis Raviel Balbinot Michel Kirniew Marcos Sarnoski Ricardo Andre Jukubowski Erechim, Dezembro de 2014 iii ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 1 2. CIÊNCIA DOS MATERIAIS ........................................................................................... 2 2.1. Propriedades dos Materiais Metálicos ........................................................................ 3 2.1.1. Propriedades metalúrgicas / mecânicas .............................................................. 3 2.1.2. Propriedades Mecânicas ...................................................................................... 3 2.2. Estrutura e Arranjo Cristalino .................................................................................... 5 2.3. Fases Presentes nos Materiais Metálicos ................................................................... 10 2.4. Diagrama de Fases de Ligas Metálicas ...................................................................... 10 2.5. Fases Presentes nos Aços ao Carbono ....................................................................... 12 3. PRINCÍPIOS DE METROLOGIA ................................................................................ 14 3.1. Instrumentos para Medições Mecânicas ................................................................... 14 3.2. Funcionamento do Paquímetro .................................................................................. 18 3.3. Funcionamento do Micrômetro ................................................................................. 19 4. PROCESSOS DE USINAGEM ...................................................................................... 22 4.1. Máquinas Ferramentas ............................................................................................... 24 4.2. Torno Mecânico ........................................................................................................... 24 4.2.1. Tipos de tornos mecânicos ................................................................................ 25 4.3. Fresadora ..................................................................................................................... 28 4.3.1. Tipos de fresadoras ............................................................................................ 29 5. EXPERIMENTOS PRÁTICOS ........................................................................................ 33 5.1. Processos de Usinagem .................................................................................................. 33 5.2 Ciência dos Materiais .................................................................................................. 36 5.2.1 Ensaio de Tração ...................................................................................................... 36 5.2.2 Ensaio de Dureza ...................................................................................................... 38 5.2.3 Embutimento ............................................................................................................. 38 5.2.4 Lixamento .................................................................................................................. 39 5.3 Princípios de Metrologia ............................................................................................. 40 iv 6. CONCLUSÕES ................................................................................................................ 42 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 44 1 1. INTRODUÇÃO Este trabalho consiste na apresentação dos principais assuntos base relacionados à Engenharia Mecânica e suas áreas de atuação. O principal objetivo é mostrar, de forma clara e concisa, uma prévia dos assuntos de Ciência dos Materiais, Metrologia e Processos de Usinagem, matérias que fazem parte da grade curricular do curso de Engenharia Mecânica da URI – Campus de Erechim, e que serão aprofundadas ao longo dos semestres. A pesquisa justifica-se com o estudo dos principais assuntos de Ciência dos Materiais, Metrologia e seus princípios e Processos de Usinagem. Ambos os assuntos foram trabalhados nas aulas práticas, que também estão citadas neste trabalho. Tratando de ciências dos materiais, abordamos, primeiramente, as propriedades dos materiais, fatores que influenciam quando se deseja utilizar um material e desconhece suas informações sobre dureza, resistência a impacto, resistência química, entre outros. Seguindo o estudo, demos enfoque a estrutura e arranjo cristalino dos metais. Este assunto consiste em analisar como se distribuem as moléculas dentro de um cristal, e como ele se comporta em diferentes situações. Adiante, estudamos as partes que compõe um material, tais como ferrita, perlita, sementita, austenita e outros, além de analisarmos e explicarmos os diagramas de fases e como eles funcionam, levando em conta as mais diversas variáveis que podem influenciar no processo. Passando para a área de metrologia, estudamos as principais ferramentas para medição e seu respectivo uso. Demos enfoque principalmente ao paquímetro e ao micrometro, ambas as ferramentas de grande precisão e de uso indispensável dentro da indústria metal mecânica. Em sequência, apresentamos a escala graduada, relógio comparador e calibres, também insubstituíveis nas medições das mais variadas peças. Como ultimo assunto de relevante importância neste trabalho, apresentamos os processos de usinagem, máquinas ferramentas como torno mecânico e fresa, e seus fundamentais usos dentro da indústria, bem como as atividades que mais realizam neste meio. 2 2. CIÊNCIA DOS MATERIAIS A ciência dos matérias está presente em nosso meio diariamente e muitas vezes não nos damos conta disso e de sua importância para o devido funcionamento dos equipamentos. Tudo em nossa volta de certa forma está envolvido, em maior ou menor grau, com a ciência dos materiais. A ciência dos materiais estuda as propriedades e a estrutura dos materiais, a engenharia dos materiais com base nessa relação estrutura-propriedades é responsável por produzir um conjunto de propriedades. Um cientista de materiais é responsável por sintetizar novos materiais, já um engenheiro de materiais é responsável pela criação de novos produtos a partir desses materiais, sejam eles novos ou já existentes no mercado. Ciência dos materiais é o campo da ciência de caráter interdisciplinar relativo ao estudo das propriedades dos materiais e a relação entre a sua estrutura em escalas atômicas ou moleculares com suas características macroscópicas, incorporando elementos da física e da química como as formas de caracterização e processamento. Com o significativo crescimento em nanociência e nanotecnologia nos últimos anos, a ciência dos materiais está se tornando mais amplamente conhecido como um campo específico e exclusivo da ciência e da engenharia. Os materiais foram, são e continuarão a ser fundamentais para o desenvolvimento da nossa civilização. Tanto é assim que vários estágios do progresso humano recebem os nomes de "Idade da Pedra", "Idade do Bronze", "Idade do Ferro" e assim por diante.Podemos definir material, de uma maneira geral, como qualquer substância que pode ser usada em aplicações práticas. A Ciência dos Materiais está intimamente ligada a vários campos tradicionais da engenharia e da ciência: física, metalurgia, química, eletricidade e mecânica. Na verdade, o engenheiro de materiais necessita de conhecimentos básicos em todas essas áreas. O que distingue a Ciência dos Materiais é o fato de que envolve a investigação de todos os 3 parâmetros que determinam as propriedades de um dado material durante sua vida útil, isto é, nas fases de extração, fabricação, utilização, e, em muitos casos, reciclagem. Assim, a Ciência dos Materiais estuda as inter-relações que existem entre a estrutura de um material e suas propriedades mecânicas, elétricas, magnéticas, químicas e outras. Um conceito básico para o estudo de qualquer material é o conceito de microestrutura, definida como o arranjo básico dos núcleos e elétrons do material e dos defeitos existentes em escala atômica. A microestrutura afeta profundamente as propriedades de um material e consequentemente sua aplicabilidade em situações práticas. O estudo da correlação entre a microestrutura e as propriedades macroscópicas dos materiais constitui o objetivo básico da Ciência dos Materiais. 2.1. Propriedades dos Materiais Metálicos Quando pensamos em utilizar um material pensamos em: dureza, fragilidade, resistência, impermeabilidade, elasticidade, condução do calor, etc. Ou seja, pensamos se as propriedades do mesmo suportam as solicitações do trabalho a que devem ser aplicado. A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável. 2.1.1. Propriedades metalúrgicas / mecânicas É o grupo de propriedades que determinam o comportamento do material no momento do processo de fabricação como também durante sua utilização posterior. 2.1.2. Propriedades Mecânicas Conjunto de propriedades de grande importância na indústria mecânica. Estas propriedades são aquelas que surgem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. O que é avaliado é a capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados (é levado em conta no processo de fabricação e posterior utilização). 4 - Resistência mecânica: é a resistência à ação de determinados tipos de esforços, como tração e a compressão. Exemplo: cabo de aço. - Elasticidade: é a capacidade que um material deve ter de se deformar, quando submetido a um esforço, e de retornar a forma original quando o esforço termina. Exemplo: borracha, aço para fabricação de molas. - Plasticidade: é a capacidade que um material, quando submetido a um esforço tem de se deformar e mantiver está quando o esforço desaparece. - Dureza: é a resistência do material à penetração, deformação plástica permanente, ao Desgaste mecânico. Em geral materiais duros são também frágeis e quanto maior a dureza maior a resistência ao desgaste. - Fragilidade: é a baixa resistência aos choques. Podemos dizer que são materiais duros, que tendem a quebrar quando sofrem choques ou batidas. Exemplo: vidro. - Densidade: é a medida da quantidade de matéria (massa) que um material ocupa por volume. Por exemplo: tomemos 1cm3 de cortiça, 1cm3 de água e 1cm3 de chumbo. - Tenacidade: é a resistência a choques, pancadas, vibrações, golpes, impactos. 2.1.3 Propriedades Térmicas Determinam o comportamento dos materiais quando são submetidos a variações de temperatura. Está propriedade é verificada no comportamento que o material pode oferecer quando em trabalho (materiais resistente a altas temperaturas ou baixas temperaturas) um material pode contrair ou dilatar com a temperatura, sua estrutura pode se alterar. O conhecimento dessas propriedades também estão relacionadas com a fabricação do material: - Ponto de fusão: temperatura que o material passa do estado sólido para o estado liquido (dentre os matérias metálicos o ponto de fusão e muito importante para determinar sua utilização). 5 - Ponto de ebulição: é a temperatura em que o material passa do estado liquido para o estado gasoso. - Dilatação térmica: propriedade que faz com que os materiais em geral aumentem de tamanho quando a temperatura sobe. - Condutividade térmica: capacidade que determinados materiais tem de conduzir o calor. 2.1.4 Propriedades Elétricas - Condutividade elétrica: capacidade que determinados materiais tem de conduzir corrente elétrica. Resistividade: resistência que o material oferece à passagem da corrente elétrica. Exemplo: a capa plástica que recobre o fio elétrico. 2.1.5 Propriedades Químicas Estas propriedades se manifestam quando o material entra em contato com outros materiais ou com o ambiente. Elas se apresentam sob a forma de presença ou ausência de resistência à corrosão, aos ácidos, às soluções salinas. 2.2. Estrutura e Arranjo Cristalino Os arranjos atômicos, que propiciam a formação dos materiais, podem ser de três tipos básicos, gerando, então, três classes estruturais principais: Estruturas moleculares = materiais moleculares Estruturas cristalinas = materiais cristalinos Estruturas amorfas = materiais amorfos A estrutura cristalina é caracterizada quando existe uma organização na disposição espacial dos átomos que constituem determinado arranjo atômico. Há uma regularidade estrutural, com a repetição, nas três dimensões, de uma unidade básica, chamada de célula unitária 6 2.2.1 Cristalinidade: O conceito de cristalinidade se aplica à estrutura interna de um material cujo arranjo atômico gera um modelo tridimensional ordenado e repetitivo. Há, dessa forma, uma regularidade na estrutura interna do material, com a repetição, nas três dimensões, de uma unidade básica, chamada de célula unitária. 2.2.2 Célula Unitária: É uma subdivisão do reticulado cristalino, na qual são mantidas as características gerais de todo o reticulado. Em outras palavras, trata-se de um pequeno volume (a unidade básica) que contém todas as características encontradas no cristal como um todo. Figura 2.1 - Ilustração esquemática de um reticulado cristalino com o destaque para a célula unitária. 7 2.2.3 Sistema Cristalino Arranjo atômico ordenado e regular permitindo que configurações atômicas gerem reticulados cuja unidade básica forme uma figura geométrica. Figura 2.2 - diferentes sistemas cristalinos. 2.2.4 Sistemas e reticulados cristalinos Os 7 diferentes sistemas cristalinos possuem variações de sua configuração básica, de modo que mais 7 possibilidades de configuração atômica se somam às 7 opções básicas (vistas anteriormente), gerando então 14 tipos possíveis de reticulados cristalinos, aos quais se dá o nome de reticulados de Bravais. 8 Figura 2.3 - 14 tipos diferentes de células unitárias, chamadas de Redes de Bravais (homenagem a Auguste Bravais cristalógrafo francês 1811-1863). Os metais cristalizam-se geralmente em três estruturas simples que são elas: cubica de face centrada, cubica de corpo centrado e hexagonalcompacta. A estrutura cubica de face centrada (CFC) recebe esse nome devido a sua característica, onde a célula possui geometria cubica e os átomos localizados em cada um dos vértices do cubo e no centro de cada face do cubo. O cobre, o alumínio, a prata e o ouro são exemplos de metais do tipo CFC. Nas estruturas cristalinas CFC os átomos que se encontram nos vértices são compartilhados por oito células unitárias enquanto os átomos localizados no centro das faces são compartilhados por apenas duas células unitárias. Com isso um oitavo de cada um dos oito átomos nos vértices e metade de cada um dos seis átomos nas faces, o que totaliza quatro átomos inteiros, podem ser atribuídos a uma dada célula unitária. Figura 2.4 - Estrutura Cristalina Cubica de Face Centrada (CFC). Um outro tipo bastante comum de estrutura cristalina apresentada em metais é a estrutura cubica de corpo centrado (CCC), com os átomos estando localizados nos oito vértices e um único átomo localizado no centro do cubo. Cromo, ferro e tungstênio são 9 exemplos de metais com estrutura cristalina do tipo CCC. Dois átomos estão associados a cada célula unitária CCC, o equivalente a um átomo devido aos oito vértices do cubo, onde cada átomo é compartilhado por oito células unitárias, e ao átomo no centro do cubo, que se encontra totalmente contido no interior de sua célula unitária. Adicionalmente as posições atômicas central e nos vértices são equivalentes. Figura 2.5 - Estrutura Cristalina Cubica de Corpo Centrado (CCC). A última das estruturas mais comuns encontradas nos metais nos mostra que nem sempre os metais possuem estruturas cristalinas com simetria cubica. A estrutura cristalina chamada de hexagonal compacta (HC). Essa estrutura é composta por uma célula unitárias que é hexagonal, as faces superior e inferior da célula unitária são compostas por seis átomos que formam hexágonos regulares e que estão ao redor de um único átomo central. Há um plano que fica entre os planos superior e inferior que contribui com três átomos adicionais para a célula unitária. Os átomos nesses plano intermediário possuem como vizinhos os átomos nos dois planos adjacentes. O equivalente a seis átomos está contido em cada célula unitária. Um sexto de cada um dos doze átomos localizados nos vértices das faces superior e inferior, metade de cada um dos dois átomos no centro das faces superior e inferior e todos os três átomos interiores do plano intermediário. Os metais que possuem esse tipo de estrutura cristalina são o cadmio, o magnésio, o titânio e o zinco. Figura 2.6 - Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta (HC). 10 2.3. Fases Presentes nos Materiais Metálicos Uma fase em um material pode ser descrita como sendo uma porção de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Todo material pulo pode ser considerado uma fase, da mesma forma que as soluções solidas, liquidas e gasosas. Um exemplo é uma solução de xarope de açúcar – agua que pode ser considerada uma fase e o açúcar sólido pode ser considerada outra fase. Cada uma delas possui propriedades físicas diferentes, sendo uma liquida e uma sólida, como também são quimicamente diferentes, possuindo composições químicas diferentes. Se mais de uma fase estiver presente em um sistema cada uma das fases terá suas propriedades individuais e irá existir um contorno separando as fases através do qual haverá uma mudança descontinua e abrupta nas características físicas e químicas. Um sistema que possuir apenas uma fase será chamado de homogêneo, já os sistemas que possuírem mais de uma fase serão chamados de misturas ou sistemas heterogêneos. Ligas metálicas, sistemas cerâmicos, poliméricos e compósitos são considerados sistemas heterogêneos. Nas ligas metálicas a microestrutura é caracterizada pelas fases presentes, pelas suas proporções e pela maneira como está arranjada. A microestrutura de uma liga metálica depende de vários fatores, tais como elementos de liga presentes, suas concentrações e o tratamento térmico ao qual a liga foi submetida (a temperatura, o tempo de aquecimento da liga àquela temperatura e a taxa de resfriamento até a temperatura ambiente). As fases podem ser distinguidas após se fazer um polimento e um ataque químico na amostra que será analisada. Como exemplo, podemos citar uma liga bifásica, onde uma fase aparecera clara e outra escura. Quando existir somente uma fase ou uma solução sólida estiver presente a textura será uniforme, revelando apenas o contorno de grão do material. 2.4. Diagrama de Fases de Ligas Metálicas Tendo em vista que a maioria das estruturas são compostas por aços ou ferros fundidos, o diagrama ferro carbono é de suma importância em nosso estudo. O ferro puro quando aquecido muda sua estrutura cristalina duas vezes antes de fundir-se. Em temperatura ambiente sua forma estável é chamada de ferrita (α) e possui estrutura cristalina cubica de corpo centrado (CCC). A 912°C, a ferrita sofre uma transformação e passa a ser chamada de austenita (γ) e sua estrutura cristalina passa a ser cubica de face centrada (CFC), essa fase persiste até a temperatura de 1394°C onde a 11 austenita sofre nova transformação e volta novamente a ser cubica de corpo centrado (CCC), que é também chamada de ferrita δ, finalmente fundindo-se a temperatura de 1538°C. A máxima solubilização do carbono no ferro fundido é de 6,67%, nessa concentração é formada a cementita (Fe3C). O sistema ferro carbono pode ser divido em duas partes, uma composição rica em ferro e outra não evidenciada para composições entre 6,70% C e 100% C (grafita pura). O carbono pode ser considerado uma impureza intersticial no ferro formando uma solução solida com a ferrita α com a ferrita δ e também com a austenita. Na ferrita α, cuja estrutura é CCC apenas pequenas concentrações de carbono são solúveis, sendo sua solubilidade máxima 0,022% a uma temperatura de 727°C, essa solubilidade baixa se dá devido a estrutura cristalina ser do tipo CCC onde há pouco espaço entre os átomos para o carbono se acomodar. Mesmo em baixas quantidades o carbono interfere de forma significativa nas propriedades mecânicas da ferrita. Essa fase é relativamente dúctil e a temperaturas abaixo de 768°C pode se tornar magnética. A austenita que é a fase γ do ferro se ligada somente com carbono a temperaturas abaixo de 727°C não é estável, a solubilidade máxima de carbono na austenita é de 2,14% a 1147°C, essa solubilidade é de 100 vezes mais do que na ferrita CCC pois as posições intersticiais na estrutura CFC facilitam a acomodação do carbono. A cementita (Fe3C) é formada quando o limite de solubilidade do carbono na ferrita α é excedido em temperaturas abaixo de 727°C, a Fe3C também irá coexistir com a fase γ nas temperaturas entre 727°C e 1147°C. Mecanicamente a cementita é muito dura e frágil, a resistência de alguns aços é aumentada substancialmente com sua presença. As ligas ferrosas são aquelas onde o ferro é o componente principal, porem o carbono, assim como outros elementos de liga podem estar presentes. Se classificarmos os ferros de acordo com seu teor de carbono teremos o ferro comercialmente puro que é aquele que contém menos de 0,008% de carbono em sua composição ele é composto em temperatura ambiente quase que exclusivamente pela fase ferrita. As ligas de ferro-carbono que contem entre 0,008 e 2,14% de carbono e são classificadas como aços. A maioria dos aços apresentam microestrutura com a fase α e também com a fase Fe3C. Se resfriada a temperatura ambiente esse tipo de liga passa pelo menos uma porção do campo para a fase γ. Os ferros fundidossão classificados como ligas ferrosas que contem entre 2,14% e 6,70% de carbono. 12 Figura 2.7 - Diagrama de Fases Ferro - Carbono 2.5. Fases Presentes nos Aços ao Carbono Devido as transformações alotrópicas pelas quais o ferro passa, as fases que temos nos aços carbonos são a ferrita (α) a austenita (γ) e a fase δ. Ferrita (α): É uma solução sólida de carbono e sua fase estável se dá a temperaturas abaixo de 910°C sua estrutura cristalina é a cubica de corpo centrado a solubilidade máxima de carbono no ferro CCC é de 0,022% a 723°C. A ferrita apresenta dureza e resistência mecânica baixa. Austenita (γ): É uma solução solida de carbono no ferro e sua estrutura cristalina é a cubica de face centrada. A faixa de temperatura que a austenita é estável depende da quantidade de carbono presente no aço. Para aços com teor de carbono de 0,8% a austenita é estável a temperatura de 727°C. A solubilidade do carbono na austenita é de 2,14 a 1147°C. A austenita assim como a ferrita apresenta baixa dureza e resistência mecânica. 13 A fase δ não tem um nome específico e se dá devido a transformação alotrópica do ferro que possui uma estrutura cristalina de cubica de face centrada de volta para cubica de corpo centrado durante o aquecimento, a estabilidade dessa fase se dá a uma temperatura de 1538°C. Há ainda a fase chamada de cementita (Fe3C) que não depende das transformações alotrópicas do ferro. Ela se apresenta na forma de um reticulado cristalino baseado em uma célula unitária ortorrômbica contendo doze átomos de ferro e três de carbono. A cementita é uma fase frágil, porem apresenta dureza e resistência mecânica altas. Por ser uma fase metaestável a ferrita deveria ser decomposta em ferrita e grafita que seriam as fases termodinamicamente mais estáveis, porem como ela é formada mais rapidamente que a grafita e sua velocidade de decomposição é desprezível pode-se considerar estável para efeitos práticos. 14 3. PRINCÍPIOS DE METROLOGIA Metrologia é a ciência das medições quer abrange todos os aspectos teóricos e práticos que asseguram a precisão em um processo produtivo e procura garantir a qualidade dos produtos através da calibração dos instrumentos de medição. Contendo a respeito o sistema de pesos e medidas de unidades para que todos os povos se identifiquem. 3.1. Instrumentos para Medições Mecânicas Nas figuras abaixo estão representados alguns instrumentos de medição: Figura 3.1-Paquímetro Analógico (Mitutoyo,2011). Figura 3.2-Micrometro Analógico (Starrett,2012). 15 Figura 3.3-Escala Graduada (Starrett,2012). Figura 3.4-Relogio Comparador Analógico (URI,2014). Figura 3.5-Goniometro (URI,2014). 16 Figura 3.6-Pente de Rosca (URI,2014). Figura 3.7- Relógio Comparador Digital (URI,2014). 17 Figura 3.8-Escartilhão (URI,2014). Figura 3.9-Calibre de Folga (URI,2014) 18 e sca la fix a 3.2. Funcionamento do Paquímetro O paquímetro é formado conforme a imagem abaixo pelo nônio ou vernier Figura 3.10-Paquimetro para Aprendizado (SENAI,2012) Como se pode ver na figura a seguir, o nônio a mais do que utilizada na escala fixa. No sistema métrico existem paquímetros em que o nônio possui dez divisões equivalentes a nove milímetros. É o que nos mostra a figura abaixo. Há, portanto uma diferença de 0,1 mm entres o primeiro traço da escala e o primeiro traço da escala móvel. Como mostra figura abaixo. Escala fixa 0 1 cm 0 Escala do Cursor (nônio) 10 Figura 3.11-Escala do Cursor (SENAI,2012). 19 Essa é a diferença 0,2mm entre o segundo traço de cada escala, de 0,3mm entre os terceiros, e assim por diante. Figura 3.12-Paquimetro para Aprendizado (SENAI,2012) 3.3. Funcionamento do Micrômetro Conforme figura abaixo o micrômetro é divido em algumas partes, eles variam de tamanho conforme o objeto a ser medido, dependendo do modelo do micrômetro. Figura 3.13-Micrometro (SENAI,2012). 20 O micrômetro é utilizado para medições que necessitam uma precisão acima possibilitada do paquímetro, o princípio de medição do micrometro baseia-se no deslocamento axial de um parafuso micrométrico com passo de alta precisão dentro de uma rosca ajustável. Seu mecanismo consiste em uma tipo de Porca-parafuso, no qual, este parafuso avança e retrocede, na medida em que o parafuso é girado em relação a porca. A circunferência da rosca(tambor) é dívida em 50 partes iguais, possibilitando medições entre 0,01mm e 0,001mm. Figura 3.13-Micrometro (SENAI,2012). É necessário para medir uma peça com micrometro certos passos, segue abaixo os mesmos: Passo 1. Colocar o objeto a ser medido entre o pistão e o suporte. Passo 2. Girar o controle do pistão até que ele toque o objeto. Passo 3. Girar o controle do pistão com mais cuidado, até ouvir três cliques. Passo 4. Verificar se tanto o pistão quanto o suporte estão tocando o objeto uniformemente. Passo 5. Acionar a trava do dedal enquanto o objeto está dentro. Passo 6. Remover o objeto do micrômetro. Para entender como fazer a leitura, segue um exemplo: imagine que a medida vai começar com o número inteiro 2. Siga os passos: Passo 1. Olhe na marca dos décimos de polegadas na régua, digamos que seja 2,5. Passo 2. Olhe a marca de 25 milésimos próxima a dos décimos de polegadas, digamos que seja ,025. 21 Passo 3. Encontre o número e a marca correspondente na escala do dedal próxima, mas ainda inferior à linha de medida na régua, digamos que seja 20. Passo 4. Adicione isto à marca de 25 milésimos. Até agora, a medida se encontra em 2,545. Passo 5. Vire o micrômetro para ver a marca dos centésimos de polegada. Passo 6. Ache a marca na régua que está alinhada com a marca no dedal (3), para ter uma medida final no nosso exemplo de 2,5453. 22 4. PROCESSOS DE USINAGEM A mecânica de usinagem engloba muitas máquinas, principalmente dentro da indústria metal mecânica. Dentre elas estão os tornos, as fresadoras, as retificadoras, as furadeiras, centros de usinagem, mandriladoras e etc. A fundição é um processo de fabricação sempre inicial, pois precede importantes processos de fabricação como usinagem, soldagem e conformação mecânica. Esses, utilizam produtos semi acabados (barras, chapas, perfis, tubos, etc.) como matéria prima que advém do processo de fundição. Podemos dividir os processos de fabricação de metais e ligas metálicas em: os com remoção de cavaco, e os sem remoção de cavaco. A Figura mostra a classificação dos processos de fabricação, destacando as principais operações de usinagem. 23 Figura 4.1 – Diagrama de processo de Fabricação. Usinagem por Processos Não-convencionais Processos de Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida são aqueles em que a ferramentapossui uma aresta cortante, ou seja, um gume de corte, que descreve uma trajetória em relação à peça a ser usinada. Esse movimento resulta na remoção do material na forma de cavaco. São exemplos desse tipo de processo de usinagem os processos de torneamento, fresamento, furação, mandrilamento, brochamento, etc. Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Não-definida são aqueles nos quais a ferramenta é formada por uma grande quantidade de grãos abrasivos, que funcionam como vários gumes de corte. Esses grão abrasivos podem ser mantidos juntos por meio de algum tipo de aglomerante, e são quebrados e/ou arrancados da ferramenta ao mesmo tempo que retiram material da peça na forma de cavaco. São exemplos desse tipo de processo de usinagem os processos de retificação, brunimento, lapidação, polimento, lixação, etc. Processos de Usinagem Não-convencionais são todos os processos de usinagem que não podem ser classificados conforme as duas classificações anteriores. São 24 exemplos desse tipo de processo de usinagem os processos de usinagem química, usinagem por eletro erosão, usinagem por jato d’água, usinagem por ultrassom, etc. 4.1. Máquinas Ferramentas A máquina ferramenta, também chamada de máquina operatriz no Brasil, é uma máquina utilizada na fabricação de peças de diversos materiais (metálicas, plásticas, de madeira etc.), por meio da movimentação mecânica de um conjunto de ferramentas. Tipos de máquinas ferramentas Entre as máquinas ferramentas se destaca o torno mecânico, que é a máquina ferramenta mais antiga e dele derivaram outras máquinas. As próximas seções apresentam o torno mecânico, a fresadora, a furadeira, a aplainadora mecânica, a retificadora, as prensas mecânica e hidráulica, a serra de fita e outras máquinas. 4.2. Torno Mecânico O torno mecânico é uma máquina extremamente versátil utilizada na confecção ou acabamento em peças dos mais diversos tipos e formas. Estas são fixadas entre as pontas de eixos revolventes a fim de que possam ser trabalhadas pelo torneiro mecânico, profissional altamente especializado no manuseio deste tipo de equipamento de precisão. O torno pode executar o maior número de obras do que qualquer outro tipo de máquina ferramenta. É considerado fundamental na civilização moderna, pois dele derivaram todas as outras máquinas e ferramentas. Figura 4.2-Torno Mecânico (SENAI,2012). Além de fazer girar a matéria prima propriamente dita para dar forma cilíndrica, no torno podem ser fixadas peças e fazer girar a ferramenta, além de outras formas de uso. 25 As principais partes do torno: Cabeçote Fixo: conjunto de engrenagens e eixo arvore (onde está montada a placa), é responsável pela rotação da peça. Caixa Norton: conhecida como engrenagem, é formada por eixos e engrenagens, que serve para transmitir o movimento do avanço do recambio para a ferramenta. Recambio: responsável pela transmissão do movimento de rotação do cabeçote fixo para a caixa Norton. Barramento: é a parte que sustenta os elementos fixos e moveis, garantindo o alinhamento da máquina. Carro Principal: é formado pela mesa, carro transversal, carro superior e porta ferramenta. O avanço do carro pode ser manual ou automático. Carro Transversal: é responsável pelo movimento automático (pela rosca sem- fim), ou pelo manual (por um volante). Carro Superior: é uma base giratória que permite tornear em ângulos. Porta-ferramentas (torre): é o local onde são fixados os suportes de ferramentas, presos por meio de parafuso de aperto. Cabeçote Móvel: parte do torno onde se desloca sobre o barramento oposta ou cabeçote fixo, a conta ponta e o eixo principal estão situados na mesma altura e determina o eixo de rotação da superfície torneada. 4.2.1. Tipos de tornos mecânicos Torno Horizontal (Universal): é usado para várias funções, principalmente em peças de pequeno diâmetro e grande comprimento; Figura 4.3-Torno Mecânico Horizontal (C&M,2012). 26 Torno Vertical: é usado para trabalhar com peças com um diâmetro elevado, como flanges, polias e rodas dentadas; Figura 4.2-Torno Mecânico Vertical (2010). Torno Revolver: é um torno simples o qual é possível executar processos de usinagem com rapidez, em peças pequenas (Ex: buchas); Figura 4.4-Torno Mecânico Revolver (2010). Torno Copiador: copia uma peça modelo, fazendo movimento com o porta ferramentas, produzindo assim uma peça idêntica com as mesmas dimensões; 27 Figura 4.5-Torno Mecânico Copiador(TRA,2010). Torno de Placa: executa torneamento de peças de grande diâmetro; Figura 4.6-Torno Mecânico de Placa (2009). Torno CNC: comandos numéricos computadorizados, onde são usadas coordenadas x(vertical), y(horizontal) e z(longitudinal) para controlar o processo de usinagem. A grande vantagem desse torno para com os outros é que ele dá um acabamento melhor, devido a rotação e controle com que trabalha Torno CNC: comandos numéricos computadorizados, onde são usadas coordenadas x(vertical), y(horizontal) e z(longitudinal) para controlar o 28 processo de usinagem. A grande vantagem desse torno para com os outros é que ele dá um acabamento melhor, devido a rotação e controle com que trabalha. Figura 4.7-Torno CNC (Romi,2012). 4.3. Fresadora A fresadora é uma máquina derivada do torno mecânico. Seu desenvolvimento ocorreu a partir de certas dificuldades em se conseguir executar determinados tipos de usinagem em seu predecessor. Figura 4.8-Fresa CNC (SENAI,2012). 29 4.3.1. Tipos de fresadoras A fresadora horizontal, mostrada na Figura, utiliza a fresa montada sobre em eixo horizontal. É utilizado para trabalho de faceamento na horizontal e para efetuar ranhuras e perfis retilíneos. A ferramenta mais empregada é a fresa cilíndrica. A fresa (ferramenta) em geral cilíndrica, é composta de diversos gumes cortantes que em movimento rotativo e contínuo montada no eixo da fresadora, ao passar pela matéria prima, vai retirando fragmentos (chamados de cavacos), até dar forma e tamanhos desejados nesta. Figura 4.9-Fresa CNC (2011). A fresadora é utilizada para fresar, podendo realizar operações de desbaste e acabamento, de acordo com a ferramenta e as condições de corte. Existem muitos tipos destas máquinas operatrizes, as mais comuns são chamadas fresadoras universais destinadas à fabricação de engrenagens ditas retas e helicoidais, além de roscas sem fim e confecção das mais diversas ferramentas com as mais diversas formas utilizadas num ramo da metalurgia chamado de ferramentaria. A fresadora horizontal, mostrada na Figura, utiliza a fresa montada sobre em eixo horizontal. É utilizado para trabalho de faceamento na horizontal e para efetuar ranhuras e perfis retilíneos. A ferramenta mais empregada é a fresa cilíndrica. 30 Figura 4.9-Fresa CNC Horizontal(2010). Fresadora Horizontal A fresadora Vertical, mostrada na Figura, dispõe somente do eixo árvore vertical. São máquinas muito robustas e empregadas em serviços com necessidade de grandes potenciais. Isto tudo devido à grande rigidez permitida pela forma da coluna e pela disposição da cadeia cinemática (engrenagens, eixos e rolamentos). Servem para facear e efetuar ranhuras e perfilados retilíneos ou circulares. 31 Figura 4.10-Fresa CNC Horizontal (Clark ,2010). Fresadora Vertical. As fresadoras especiaisenquadram-se na classe das fresadoras que se destinam a trabalhos específicos. Por exemplo, fresadora copiadora, cortadora de rodas dentadas, ferramenteira, etc. A fresadora Ferramenteira, mostrada na Figura é uma máquina muito versátil, com movimentos no cabeçote vertical e horizontal na mesa. É aplicada para trabalho em peças pequenas e com formato complicado. A mesa oferece também inclinação na vertical. Figura 4.11-Fresa CNC Vertical(2010). 32 Fresadora Ferramenteira. Fresa CNC Com o advento da informática e a criação dos motores de passo (motores elétricos aonde é possível controlar a rotação, o sentido de rotação, a quantidade de giro em graus do eixo do motor, etc.) e a consequente automatização de diversos equipamentos surgiram as máquinas CNC (Controle Numérico Computadorizado) equipamentos que são dirigidos por um controle que se utiliza de números em forma de coordenadas ( normalmente nos eixos x, y e z ) e gerenciados por um computador. A sequência normal de trabalho com esses equipamentos é a geração de um modelo em computador que a seguir é transformado através de um aplicativo em coordenadas que chamamos de código G e com este é possível através de um programa em computador ligado a fresadora, fazer com que este computador mova a fresa, que está em rotação, através do material que queremos trabalhar, desbastando, cortando, etc. Atualmente com a disseminação e fabricação em larga escala dos diversos componentes que compõe estes equipamentos, tornou-se muito acessível a sua fabricação. Figura 4.12-Fresa CNC Ferramenteira (Veker,2010). 33 5. EXPERIMENTOS PRÁTICOS 5.1. Processos de Usinagem As aulas de usinagem tiveram o objetivo de mostrar o funcionamento de um torno mecânico bem como a confecção de três peças, com a utilização de algumas ferramentas e operações. PEÇA 01 – Parafuso com Cone: Um parafuso M12x1,75 com um cone conforme figura (5.1.1), para essa peça foi utilizado o material bruto de dimensões Ø 3/4” x 57 mm de latão. Figura 5.1 – Desenho esquemático da peça 01. Roteiro para fabricação: 1° Passo- Fixar a peça entre as castanhas e executar o faceamento. 2° Passo- Fazer o furo de centro utilizando a broca de centro fixada no mandril. 3° Passo- Levar a peça para fora das castanhas, em torno de 40 mm e apoiar o ponto rotativo. 4° Passo- Fazer a usinagem cilíndrica com dimensões de Ø12x30mm. 5° Passo- Executar chanfro na extremidade. 6° Passo- Virar a peça e prender. 7° Passo- Facear a peça, deixando com o comprimento de 25 mm 8° Passo- Inclinar o carro superior a 45°, para poder realizar o torneamento cônico, após fixar o avental para evitar deslocamentos longitudinais. 9º Passo- Executar o torneamento cônico de 45°. 10° Passo- Abrir rosca M12x1,75 utilizando tarraxa M12x1,75. 34 Figura 5.2 – Peça 01 pronta. (URI, 2014) PEÇA 02 – Porca M12 Recartilhada: Uma porca M12 conforme figura (5.1.3), para executar essa peça foi utilizado uma barra redonda de latão com dimensões bruta de Ø 1” x 200mm. Figura 5.3 – Desenho esquemático da peça 02 Roteiro para fabricação: 1° Passo - Fixar a peça e facear até fazer a limpeza superficial. 2° Passo – Abrir furo de centro e após abrir furo Ø 10,5 x 20mm. 3° Passo- Fazer chanfro interno no furo, para posterior posicionamento do macho para a execução da rosca. 35 4° Passo- Levar a peça mais para fora da placa, em torno de 25mm, e apoiar o ponto rotativo. 5° Passo- Executar usinagem externa com Ø20x20mm. 6° Passo- Fazer recartilhamento em apenas um passe. 7° Passo- Quebrar cantos vivos externos. 8° Passo- Executar sangramento, deixando a peça com um comprimento de 12,5 a 13mm. 9° Passo- Fixar a peça e facear, finalizando com comprimento na dimensão de 12mm. 10° Passo- Chanfrar os cantos do furo e superfície externa. 11° Passo- Retirar a peça do torno e fixar na morsa, utilizando os mordentes de proteção e após executar rosca M12 x 1,75. Figura 5.4 – Peça 02 pronta. (URI, 2014) PEÇA 02 – Parafuso Sextavado: Um parafuso sextavado M 12 x 1,75, conforme figura (5.1.5), para executar essa peça foi utilizado uma barra sextavada de latão com dimensões bruta de 1" x 47 mm . Figura 5.5 – Desenho esquemático peça 03. 36 Roteiro para fabricação: 1° Passo- Fixar a peça e facear até fazer a limpeza superficial. 2° Passo- Fazer o furo de centro, utilizando a broca de centro fixada ao mandril. 3° Passo- Levar a peça para fora das castanhas, em torno de 40mm e apoiar o ponto rotativo. 4° Passo- Fazer a usinagem cilíndrica, com dimensões de Ø 12x30mm e executar o chanfro conforme Figura (5.1.5). 5° Passo- Quebrar os cantos vivos externo. 6° Passo- Executar o sangramento com Ø 9 x 4mm. 7° Passo- Abrir rosca M 12 x 1,75 no torno utilizando a relação de avanço correta, conforme demonstração. Figura 5.6 – Peça 03 pronta. (URI, 2014) 5.2 Ciência dos Materiais 5.2.1 Ensaio de Tração O ensaio de tração consiste em submeter um corpo de prova de geometria definida a um esforço crescente na direção axial do corpo de prova, levando-o a se romper. Os esforços utilizados para realização do ensaio são medidos na própria máquina. O ensaio de tração é feito em corpos de prova de dimensões padronizadas por normas nacionais e internacionais. As propriedades mecânicas obtidas no ensaio de tração são: Limite de resistência a tração, limite de escoamento, limite de ruptura, alongamento percentual e coeficiente de fricção. 37 Para o ensaio de tração, pegamos dois corpos de provas, um de aço 1025, e outro de aço 1045, colocamos a prova em uma máquina de ensaio como a da figura (5.2.1.). Figura 5.7 – Máquina de Ensaio Universal EMIC. Os resultados obtidos foram transferidos para o computador e analisados pelo professor, juntamente com os alunos. A figura (5.2.2.), a seguir, apresenta os resultados obtidos: Figura 5.8 – Resultados obtidos no Ensaio de Tração, realizado no Laboratório de Ensaios da URI, Campus de Erechim. 38 5.2.2 Ensaio de Dureza Nosso grupo ficou com o aço 1045, foram realizados três ensaios em pontos diferentes da peça, para observar a dureza do material. A figura (5.2.3) representa uma máquina de ensaio. Figura 5.9 – Máquina de Ensaio de Dureza Para realizar o ensaio, foi cortada uma amostra do aço 1045. O ensaio consistia em analisar a penetração que a ponteira de diamante exercia sobre o corpo de prova do aço 1045. Os resultados obtidos estão abaixo: Ensaio 1 – 86 HRB; Ensaio 2 – 87 HRB; Ensaio 3 – 82 HRB; Fazendo a média dos três resultados, obtivemos uma média de 85 HRB de dureza para o aço em estudo. 5.2.3 Embutimento Foi utilizada a mesma amostra de material do ensaio de dureza. Logo após de realizar o ensaio de dureza a amostra foi levada até a embutidora, onde foi colocada na máquina junto com um polímero chamado baquelite e foi submetido a uma pressão e a temperatura de 180ºC. Após 20 minutos aproximadamente, a peça estava embutida e pronta para ser lixada. 39 Figura 5.10 – Amostra embutida pronta para lixar. 5.2.4 Lixamento Após o Embutimento é necessário que a amostra seja lixada para eliminar quaisquer riscos que pudesse existir na superfície. Para isso foi usado um total de cinco lixas com gramaturas diferentes começando da menor gramatura para a maior sempre alternando o sentido do lixamento em 90 graus de uma lixa para aoutra. Depois de lixar, a amostra foi polida na politriz usando água destilada e alumina. A peça foi secada com o auxílio de um secador de cabelo e foi levada para análise no microscópio. Figura 5.11 – Imagem da amostra sem ataque químico, aumentada 50X Após análise da amostra, foi feito o ataque químico com ácido nítrico. Foram esperados alguns minutos para que o ácido pudesse agir sobre o material e então analisada a 40 amostra no microscópio, onde podemos observar a estrutura da peça e o contorno de grão conforme a figura (5.2.6): Figura 5.12 – Imagem da amostra após o ataque químico, aumentada 100X 5.3 Princípios de Metrologia Ao decorrer do semestre, tivemos também algumas aulas sobre metrologia e as principais ferramentas utilizadas para cumprir esta função dentro de uma indústria. Juntamente com o professor, estudamos os tipos de paquímetros, como é feita a leitura da medida determinada na peça e a utilização em grandezas como a polegada, que não é muito comum na nossa utilização. Começamos a estudar os micrometros. Estes tem exatamente a mesma forma de leitura que o paquímetro e sua utilização também é a mesma, obter as medidas de uma peça. Porém, o micrometro se diferencia em alguns detalhes para o paquímetro. Estes detalhes são: Necessita-se adequar as “ponteiras” a serem usadas para medir cada peça, dependendo do formato desejado. Tem um limite de medida que pode ser obtido. Caso esta seja maior ou menor, deve-se substituir o micrometro por outro mais adequado. 41 O micrometro precisa de uma aferição e uma manutenção muito mais precisa, para que sua atividade seja realizada perfeitamente. Quando se atinge a medida desejada, o micrometro tem uma “catraca” que faz o “ajuste fino”, para representar a medida exata. Fizemos uma atividade pratica. Essa consistia em medir uma peça, conforme figura 5.3.1, utilizando 3 paquímetros diferentes. Resultados obtidos no Anexo 01. A intenção era realmente entender e se “familiarizar” com o paquímetro. Como nossa medida padrão é o milímetro (mm) e o paquímetro já nos apresenta a medida nessa unidade, não tivemos maiores problemas para realizar a atividade. Figura 5.13 – Peça utilizada no trabalho prático. 42 6. CONCLUSÕES Após a finalização deste trabalho, registramos que a base que tivemos durante as aulas teóricas e praticas, mais a pesquisa extraclasse que fizemos para a execução deste trabalho, irão facilitar muito os estudos que realizaremos ao longo do curso de Engenharia Mecânica. Observamos que existe uma gama imensa de conteúdos para cada assunto trabalhado, e que mesmo fazendo uma seleção que tentasse englobar o assunto completamente, percebemos que é impossível conciliar todo o tema. Partindo de Ciência dos Materiais, demos enfoques aos assuntos que também foram trabalhados nas aulas práticas e que tinham uma importância superior, direcionando os estudos aos metais, suas propriedades, suas resistências, alterações, variáveis, teor de carbono e suas diferenças, posicionamento de moléculas no arranjo cristalino, fases em que se encontram os metais e diagramas de fases. Estes assuntos foram trabalhados na aula experimental de “Ciência dos Materiais”, o que facilitou muito o trabalho, visto que conforme a pesquisa era desenvolvida, conseguíamos relacionar com alguma coisa que foi vista durante as aulas, ou que foi comentada pelo professor responsável. A metrologia foi um tema que gerou menos transtornos e menos trabalho. Seu conteúdo era mais enxuto e não teve tantas variáveis como os demais. Além disso, as ferramentas utilizadas nas aulas já eram conhecidas por quase toda turma, o que facilitou tanto as aulas como a realização deste trabalho. O enfoque principal deste assunto se deu em saber qual a ferramenta correta a ser utilizada pelo operador ao realizar uma medição. Descobrimos então, que cada ferramenta tem seu uso específico, e deve-se respeitar a sua utilização, visando obter resultados corretos e precisos. Os processos de Usinagem foram os que geraram maior interesse por parte dos alunos do grupo. Como já tínhamos realizado aulas teóricas sobre estes, e sobre as máquinas que realizam o processo, conseguimos associar mais rapidamente durante a pesquisa e 43 desenvolvimento deste trabalho. Os processos de usinagem são as principais formas de se fabricar e obter as peças desejadas, e graças às tecnologias presentes nas maquinas que realizam estes trabalhos, a precisão é cada vez maior, e o resultado mais exato. Portanto, conseguimos obter ao longo do semestre e ao longo da realização deste trabalho, uma grande quantidade de conteúdos, tanto teóricos quanto práticos, que irão facilitar e muito os estudos que teremos nos semestres seguintes. Com certeza, a realização das atividades práticas fez a total diferença, visto que o que estudávamos apenas na teoria passou a ser executado na prática. Assim sendo, nosso grupo parabeniza os responsáveis pela matéria de “Práticas Industriais” e garante que o que foi visto aqui vai fazer a diferença. 44 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS E MICROESTRUTURAS - Engenharia e Ciência dos Materiais I - Profa.Dra. Lauralice Canale. Ligas: Diagrama de Fases. Adriano Weihmayer Almeida RA:980221-5. CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS – Arranjos Atômicos e Estrutura dos materiais - Profª MSc. Régia Avancini. METROLOGIA E CONTROLE DIMENSIONAL - Profº João Circilio da Silva Netro. METROLOGIA: CONCEITO E PRATICAS DE INSTRUMENTAÇÃO -Profº Francisco Adval de Lira.
Compartilhar