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APOSTILA PROCESSOS DE FABRICAÇÃO POR USINAGEM Este material de apoio a disciplina de Processos de fabricação por usinagem, foi elaborado pelo professor Dr. André João de Souza, da UFRGS, sendo que o mesmo autorizou-me a fazer uso deste material na disciplina de Processos de Fabricação do curso de Engenharia Mecânica do IFSul – Câmpus Passo Fundo, desde que fizesse as devidas referências. Esta apostila encontrasse disponível na página (https://chasqueweb.ufrgs.br/~ajsouza/ . (Acesso em 01/08/17) Claudio André Lopes Oliveira Professor do Instituto Federal Sul-rio-grandense Câmpus Passo Fundo Índice 2. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE USINAGEM 03 2.1. Introdução 03 2.2. Classificação dos Processos de Usinagem 06 2.3. Planejamento de Processos 07 3. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS PROCESSOS DE USINAGEM 09 3.1. Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Definida 09 3.2. Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Não-Definida 13 3.3. Processos Não-Convencionais de Usinagem 17 3.4. Comparação dos Diferentes Processos de Fabricação por Usinagem 21 4. CARACTERIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE ENTRADA E SAÍDA 23 4.1. Generalidades 23 4.2. Variáveis Independentes de Entrada 23 4.3. Variáveis Dependentes de Saída 25 5. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: MATERIAL E GEOMETRIA DA PEÇA 31 5.1. Material da Peça 31 5.2. Geometria da Peça 34 6. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: USINABILIDADE DOS MATERIAIS 39 6.1. Introdução 39 6.2. A Usinabilidade e as Classes de Material 40 7. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE 45 7.1. Generalidades 45 7.2. Ângulos da Ferramenta no Plano de Medida 48 7.3. Ângulos da Ferramenta no Plano de Referência 49 8. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: MATERIAL DA FERRAMENTA DE CORTE 53 8.1. Introdução 53 8.2. Aço-rápido (AR) 54 8.3. Metal-duro (MD) 56 8.4. Materiais Avançados 59 9. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: MÁQUINAS OPERATRIZES E PARÂMETROS DE CORTE. 63 9.1. Máquina-Ferramenta 63 9.2. Parâmetros de Corte 68 10. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: MEIOS LUBRIRREFRIGERANTES. 71 10.1. Generalidades 71 10.2. Funções dos Fluidos Lubrirrefrigerantes 73 10.3. Tipos de Meios Lubrirrefrigerantes 76 10.4. Aplicação de Meios Lubrirrefrigerantes 79 11. VARIÁVEIS DEPENDENTES DE SAÍDA: FORMAÇÃO, TIPOS E GEOMETRIAS DE CAVACO. 83 11.1. Generalidades 83 11.2. Formação do Cavaco11.2. Formação do Cavaco 83 11.3. Tipos de Cavaco 85 11.4. Geometria do Cavaco 86 11.5. Influência dos Parâmetros de Entrada 87 12. VARIÁVEIS DEPENDENTES DE SAÍDA: FORÇA E POTÊNCIA DE USINAGEM 91 12.1. Introdução 91 12.2. Força de Usinagem 91 12.3. Influência dos Parâmetros de Entrada 94 12.4. Potência de Usinagem 97 13. VARIÁVEIS DEPENDENTES DE SAÍDA: VIBRAÇÃO EM USINAGEM. 99 13.1. Introdução 99 13.2. Instabilidade na Usinagem 100 13.3. Influência dos Parâmetros de Entrada na Vibração13.3. Influência dos Parâmetros de Entrada na Vibração 102 14. VARIÁVEIS DEPENDENTES DE SAÍDA: TEMPERATURA NA REGIÃO DE CORTE 109 14.1. Generalidades 109 14.2. Influência dos Parâmetros de Entrada na Temperatura 110 15. VARIÁVEIS DEPENDENTES DE SAÍDA: FALHAS NA FERRAMENTA DE CORTE 115 15.1. Introdução 115 15.2. Avarias em Ferramentas de Corte 116 15.3. Desgastes em Ferramentas de Corte 117 15.4. Vida da Ferramenta 119 15.5. Mecanismos de Desgastes 119 15.6. Influência dos Parâmetros de Entrada nas Falhas da Ferramenta 120 16. VARIÁVEIS DEPENDENTES DE SAÍDA: ACABAMENTO DA SUPERFÍCIE USINADA 123 16.1. Introdução 123 16.2. Textura da Superfície Usinada 123 16.3. Integridade da Superfície Usinada 125 16.4. Influência dos Parâmetros de Entrada no Acabamento Usinado 127 QUESTÕES DE REVISÃO: PARTE 1 – FUNDAMENTOS DA USINAGEM 131 17. PROCESSO DE TORNEAMENTO: GENERALIDADES 135 17.1. Introdução 135 17.2. Movimentos e Grandezas 135 17.3. Tornos 139 17.4. Ferramentas de Corte 145 17.5. Operações de Torneamento 147 18. PROCESSO DE TORNEAMENTO: ESFORÇOS DE CORTE 151 18.1. Introdução 151 18.2. Força de Usinagem em Torneamento 151 18.3. Vibração 155 18.4. Potência de Usinagem 156 19. PROCESSO DE TORNEAMENTO: VIDA DA FERRAMENTA DE CORTE 157 19.1. Introdução 157 19.2. Relação da vida da ferramenta com as variáveis dependentes do processo 158 20. PROCESSO DE TORNEAMENTO: CONDIÇÕES ECONÔMICAS DE USINAGEM 163 20.1. Introdução 163 20.2. Ciclos e Tempos de Usinagem 163 20.3. Custos de Produção 165 20.4. Intervalo de Máxima Eficiência 167 21. PROCESSO DE FURAÇÃO: GENERALIDADES 169 21.1. Introdução 169 21.2. Movimentos e Grandezas 170 21.3. Máquinas Ferramentas (Furadeiras) 173 22. PROCESSO DE FURAÇÃO: BROCAS 177 22.1. Introdução 177 22.2. Tipos de Brocas 177 22.3. Geometrias de Broca 179 22.4. Afiação de Brocas 182 22.5. Materiais de Broca 183 22.6. Vida da Broca 183 23. PROCESSO DE FURAÇÃO: OPERAÇÕES DE CORTE 187 23.1. Introdução 187 23.2. Furação em Cheio e com Pré-Furo 188 23.3. Furação Escalonada 189 23.4. Furação de Centros 190 23.5. Furação Profunda em Cheio 190 23.6. Trepanação 193 23.7. Ferramentas e Operações Auxiliares 194 23.8. Qualidade de Peças Furadas 196 24. PROCESSO DE FURAÇÃO: ESFORÇOS DE CORTE & AVANÇO MÁXIMO PERMISSÍVEL 197 24.1. Introdução 197 24.2. Esforços de Corte em Furação 24.2. Esforços de Corte em Furação 197 24.3. Avanço Máximo Permissível em Furação 201 25. PROCESSO DE FRESAMENTO: GENERALIDADES 205 25.1. Introdução 205 25.2. Movimentos e Grandezas 207 25.3. Máquinas Ferramentas (Fresadoras) 208 26. PROCESSO DE FRESAMENTO: FRESAS 215 26.1. Introdução 215 26.2. Classificação de Fresas 215 26.3. Geometria da Fresa 217 26.4. Material da Fresa 218 26.5. Problemas no Fresamento 219 27. PROCESSO DE FRESAMENTO: OPERAÇÕES DE CORTE 221 27.1. Introdução 221 27.2. Fresamento Concordante 221 27.3. Fresamento Discordante 222 27.4. Fresamento Combinado 223 27.5. Fresamento Tangencial 223 27.6. Fresamento Frontal 224 27.7. Fresamento de Acabamento Fino 226 27.8. Fresamento HSM de Moldes e Matrizes 227 28. PROCESSO DE FRESAMENTO: DETERMINAÇÃO DO TEMPO DE USINAGEM 229 28.1. Condições Econômicas de Usinagem 229 28.2. Percurso da Ferramenta e Tempo de Corte 233 29. PROCESSO DE RETIFICAÇÃO: GENERALIDADES 239 29.1. Introdução 239 29.2. Movimentos e Grandezas 241 29.3. Máquinas-Ferramentas (Retificadoras 244 30. PROCESSO DE RETIFICAÇÃO: REBOLOS 247 30.1. Introdução 247 30.2. Abrasivo 247 30.3. Granulação 251 30.4. Liga Aglomerante 252 30.5. Grau de Dureza 253 30.6. Estrutura 253 30.7. Especificação do Rebolo 254 31. PROCESSO DE RETIFICAÇÃO: OPERAÇÕES DE CORTE 257 31.1. Introdução 257 31.2. Retificação Cilíndrica Externa Entre Pontas 258 31.3. Retificação Cilíndrica Externa Sem Centros 260 31.4. Retificação Cilíndrica Interna 261 31.5. Retificação Plana 262 31.6. Outras Operações de Retificação 263 32. PROCESSO DE RETIFICAÇÃO: SELEÇÃO E CUIDADOS 265 32.1. Introdução 265 32.2. Fatores de Influência na Seleção do Rebolo 265 32.3. Vida, Desgaste e Agressividade do Rebolo 268 32.4. Cuidados na Utilização e Montagem dos Rebolos 271 QUESTÕES DE REVISÃO: PARTE 2 – PROCESSOS DE USINAGEM 273 REFERÊNCIAS 281 3 Prof. André João de Souza 2. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE USINAGEM 2.1. Introdução Fabricar é transformar matérias-primas em produtos acabados, por uma variedade de processos. A ideia de fabricar teve início a milhares de anos, quando o homem pré-histórico percebeu que, para sobreviver, precisava de algo mais que pernas e braços para poder se defender e caçar.Sua inteligência logo o ensinou que se ele tivesse uma pedra nas mãos, seu golpe seria mais forte, e se a pedra tivesse um cabo esse golpe seria mais forte ainda. Se essa pedra fosse afiada poderia cortar a caça e ajudar a raspar a peles dos animais. Foi a partir da necessidade de se fabricar um machado que o homem desenvolveu as operações de desbastar, cortar e furar. Já há aproximadamente 12 a 50 mil anos o homem estava em condições de produzir ferramentas de pedras com arestas de corte (gumes) afiadas por lascamento, como nos mostram achados arqueológicos da idade da pedra (Fig. 2.1). Figura 2.1 - Ferramentas de pedra lascada. Para ter uma ideia do número de fatores que devem ser considerados num processo de fabricação veja, por exemplo, a produção de um simples artigo: o clipe. Primeiro ele deve ser projetado para atender o requisito funcional que é segurar folhas de papéis juntas. Para tanto, ele deve exercer uma força suficiente para evitar o deslizamento de uma folha sobre a outra. Eles são, geralmente, feitos de arame de aço, embora hoje se encontre no mercado clipe de plástico. O comprimento do arame requerido para sua fabricação é cortado e então dobrado várias vezes, para dar a forma final própria. Por sua vez, o arame é feito por um processo de trefilação a frio. Neste processo a seção transversal de uma haste longa é reduzida, ao passar por uma matriz de fieira, que também confere algumas propriedades mecânicas ao material, como resistência e dureza. A haste por sua vez, é obtida por processos como a trefilação e a extrusão de um lingote. Para evitar delongas, nenhuma informação quanto ao processo de obtenção deste lingote será abordada. A fabricação de um simples clipe envolve projeto, seleção de um material adequado e de um método de fabricação para atender os requisitos de serviço do artigo. As seleções são feitas não somente com base em requisitos técnicos, mas também com base nas considerações econômicas, minimizando os custos para que o produto possa ser competitivo no mercado. 4 O projetista de produtos ou engenheiro projetista especifica as formas, dimensões, aparência, e o material a ser usado no produto. Primeiro são feitos os protótipos do produto. Neste estágio, é possível fazer modificações, tanto no projeto original como no material selecionado, se análises técnicas e/ou econômicas assim indicarem. Um método apropriado é então escolhido pelo engenheiro de fabricação. A Figura 2.2 mostra um procedimento correto para se chegar à etapa de fabricação. Figura 2.2 - Diagrama mostrando o procedimento requerido para o projeto de um produto, que são etapas que antecedem a fabricação. Os processos de transformação de metais e ligas metálicas em peças para a utilização em conjuntos mecânicos são inúmeros e variados: pode-se fundir; soldar; utilizar a metalurgia em pó; ou usinar o metal a fim de obter a peça desejada. Evidentemente, vários fatores devem ser considerados quando se escolhe um processo de fabricação. Como por exemplo: forma e dimensão da peça; material a ser empregado e suas propriedades; quantidade de peças a serem produzidas; tolerâncias e acabamento superficial requerido; custo total do processamento. A Fundição é um processo de fabricação sempre inicial, pois precedem importantes processos de fabricação como usinagem, soldagem e conformação mecânica. Esses utilizam produtos semiacabados (barras, chapas, perfis, tubos, etc.) como matéria prima que advém do processo de fundição. Podem-se dividir os processos de fabricação de metais e ligas metálicas em: os com remoção de cavaco, e os sem remoção de cavaco. A Figura 2.3 mostra a classificação dos processos de fabricação, destacando as principais operações de usinagem. Processos de usinagem envolvem operações de corte que permitem remover excessos de um material bruto com auxílio de uma ferramenta até que este resulte em uma peça pronta que, posteriormente, irá compor algum engenho mecânico que, por sua vez, farão parte de bens duráveis. 5 Nestas operações de corte são geradas aparas que se costumam chamar de cavacos. Assim, processos de usinagem, invariavelmente, implicam na geração de cavacos. Um subgrupo da norma DIN 8580 sob o termo separar, compreende os processos de fabricação com remoção de cavaco com ferramenta de geometria definida, que se caracteriza pela aplicação de ferramentas com características geometricamente definidas. Figura 2.3 – Classificação dos processos de fabricação. No estudo das operações dos metais, distinguem-se duas grandes classes de trabalho: as operações de usinagem e as operações de conformação. Uma simples definição de operação de usinagem pode ser tirada da Figura 2.3 como sendo processo de fabricação com remoção de material em forma de cavaco. Consultando, porém, uma bibliografia especializada pode-se definir usinagem de forma mais abrangente: “Usinagem é o processo de remoção de material que ao conferir à peça a forma, as dimensões, o acabamento, ou ainda a combinação qualquer destes itens, produz cavaco”. E por cavaco entende-se: 6 “Cavaco é a porção de material da peça de forma geométrica irregular retirada pela ferramenta de corte durante a usinagem”. Além desta característica, estão envolvidos no mecanismo da formação do cavaco alguns fenômenos particulares, tais como o fator de recalque (relacionado com a deformação do material), a aresta postiça de corte (adesão de material na superfície de saída da ferramenta) a craterização (desgaste de cratera na superfície de saída da ferramenta) e a formação periódica do cavaco (dentro de determinado campo de variação da velocidade de corte). Como operação de conformação entende-se aquela que visa conferir à peça a forma ou as dimensões, ou o acabamento específico, ou ainda qualquer combinação destes três bens, através da deformação plástica do metal. Devido ao fato da operação de corte em chapas estar ligada aos processos de estampagem profunda, dobra e curvatura de chapas, essa operação é comumente estudada no grupo de operações de conformação dos metais. Na maioria das aplicações industriais, a usinagem é usada para converter blocos (tarugos) metálicos fundidos, forjados ou pré-moldados em perfis desejados, com tamanho e acabamento específicos, de acordo com as necessidades do projeto. Quase todos os produtos manufaturados possuem componentes que precisam ser usinados, muitas vezes com grande precisão. Logo, este conjunto de processos é um dos mais importantes do sistema de manufatura, pois agrega valor ao produto final. A usinagem é reconhecidamente o processo de fabricação mais popular do mundo, transformando em cavacos algo em torno de 10% de toda a produção de metais, e empregando dezenas de milhões de pessoas em todo o mundo. 2.2. Classificação dos Processos de Usinagem 2.2.1. Classificação quanto ao processo de remoção de material O processo de remoção por usinagem pode ser dividido em duas grandes categorias: Processos convencionais, em que as operações de corte empregam energia mecânica na remoção do material, principalmente por cisalhamento, no contato físico da ferramenta com a peça – ex.: torneamento, furação e retificação. Processos especiais (não convencionais), em que as operações se utilizam de outros tipos de energia de usinagem (p.ex. termelétrica), não geram marcas-padrão na superfície da peça e a taxa volumétrica de remoção de material é muito menor que a dos processos convencionais – ex.: laser (radiação), eletroerosão (elétrons) e plasma (gases quentes). 2.2.2. Classificação quanto à geometria da ferramenta de corte Os processos convencionais de usinagem ainda podem ser subdivididos em duas classes: Operaçõesde corte com ferramentas de geometria definida (arestas cortantes com formato e com tamanho conhecidos) – p.ex. torneamento, furação, fresamento. Operações de corte com ferramentas de geometria não definida (partículas abrasivas com formatos aleatórios e compostas por arestas minúsculas de corte) – p.ex. retificação, brunimento, lapidação. 7 2.2.3. Classificação quanto à finalidade da operação de corte Quanto à finalidade, as operações de usinagem podem ser classificadas em: Operações de desbaste, em que a usinagem, anterior a de acabamento, visa obter na peça a forma e dimensões próximas das finais. Operações de acabamento, em que a usinagem é destinada a obter na peça as dimensões finais, ou um acabamento especificado, ou ambos. 2.3. Planejamento de Processos O planejamento de processos é um procedimento de tomada de decisões com o objetivo de obter um plano de processo econômico. Os parâmetros a serem considerados são: geometria da peça; matéria-prima; acabamento; tolerâncias dimensionais e geométricas; tratamentos térmicos e superficiais; tamanho do lote (quantidade). As restrições devem ser tecnológicas e independentes da sequência escolhida de processos de usinagem, máquinas-ferramentas e operações de corte. Depende da disponibilidade de: Peça. Restrições relativas ao material, à geometria, às dimensões etc. Deve-se considerar a rugosidade e as tolerâncias dimensionais e geométricas relacionadas ao processo e aos máximos valores de avanço e profundidade de corte. Alguns pesquisadores consideram os valores máximos de velocidade e profundidade de corte dependentes do material. Máquinas-ferramentas. O processo de usinagem gera esforços dinâmicos que excitam a estrutura da máquina e a peça usinada como resultado em algumas situações a superfície pode ficar ondulada ou com marcas. Ferramentas de corte. Velocidade de corte acima de um determinado limite altera o mecanismo de desgaste da ferramenta. O avanço e a geometria da ferramenta influem na rugosidade gerada na superfície usinada. As dimensões da ferramenta limitam a profundidade de corte. Tecnologia. Com base na teoria de usinagem pode-se dizer que existem limites mínimo e máximo para os valores de profundidade de corte, avanço e velocidade de corte. Valores baixos de avanço e profundidade: retorno elástico ou abrasivo; valores altos: desgaste de cratera. Velocidade de corte alta: desgaste por difusão; baixa: aresta postiça de corte. Os limites podem ser estimados com base no material a ser usinado na ferramenta. Usuário/operador. O operador pode limitar por prática os valores de avanço, profundidade e velocidade de corte. Os critérios de otimização devem ser econômicos, visando sempre maximizar a taxa de retorno com: máxima produção; mínimo custo; máxima produtividade. As decisões a tomar envolvem a escolha do processo de usinagem, o detalhamento das operações de corte e a seleção de diferentes parâmetros do processo, tais como: máquina-ferramenta; tipo de fixação e localização; ferramentas de corte; trajetórias das ferramentas; condições de corte. 8 9 Prof. André João de Souza 3. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS PROCESSOS DE USINAGEM 3.1. Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Definida 3.1.1. Torneamento Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies de revolução com auxílio de uma ou mais ferramentas monocortantes1. Para tanto, a peça gira em torno do eixo principal de rotação da máquina e a ferramenta se desloca simultaneamente segundo uma trajetória coplanar com o referido eixo. Quanto à forma da trajetória, o torneamento pode ser retilíneo ou curvilíneo (Fig. 3.1). (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 3.1 – Alguns processos de torneamento: (a) cilíndrico externo; (b) cônico externo; (c) curvilíneo; (d) cilíndrico interno; (e) cônico interno; (f) sangramento radial. Torneamento retilíneo. Processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea. O torneamento retilíneo pode ser: cilíndrico (externo, interno, sangramento axial), cônico (externo, interno), radial (faceamento, sangramento radial) ou de perfil (radial ou axial). Torneamento curvilíneo. Processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória curvilínea. 3.1.2. Aplainamento Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies regradas, geradas por um movimento retilíneo alternativo da peça ou da ferramenta. O aplainamento pode ser horizontal ou 1 Denomina-se ferramenta de usinagem mecânica a ferramenta destinada à remoção de cavaco. No caso de possuir uma única superfície de saída, a ferramenta é chamada ferramenta monocortante; quando possuir mais de uma superfície de saída, é chamada ferramenta multicortante. 10 vertical. Quanto à finalidade, as operações de aplainamento podem ser classificadas ainda em aplainamento de desbaste a aplainamento de acabamento (Fig. 3.2). (a) (b) (c) Figura 3.2 – Alguns processos de aplainamento: (a) de superfícies*; (b) de perfis; (c) de rasgos de chaveta. 3.1.3. Furação Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de um furo geralmente cilíndrico numa peça, com auxílio de uma ferramenta geralmente multicortante. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e simultaneamente a ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo principal da máquina. A furação subdivide-se nas operações (Fig. 3.3): (a) (b) (c) (d) Figura 3.3 – Alguns processos de furação: (a) em cheio; (b) escareamento; (c) escalonada; (d) de centro. Furação em cheio. Processo destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça, removendo todo o material compreendido no volume do furo final, na forma de cavaco. No caso de furos de grande profundidade há necessidade de ferramenta especial. Escareamento. Processo destinado à abertura de um furo cilíndrico numa peça previamente furada. Furação escalonada. Processo destinado à obtenção de um furo com dois ou mais diâmetros, simultaneamente. Furação de centros. Processo destinado à obtenção de furos-guia na peça visando operação posterior. Trepanação. Processo em que apenas uma parte de material compreendido no volume do furo final é reduzida a cavaco, permanecendo um núcleo maciço. 3.1.4. Alargamento Processo mecânico de usinagem destinado ao desbaste ou ao acabamento de furos cilíndricos ou cônicos, com auxílio de ferramenta geralmente multicortante. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e a ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo de rotação da ferramenta. O alargamento pode ser de desbaste (cilíndrico, cônico) ou acabamento (cilíndrico, cônico) (Fig. 3.4). 11 (a) (b) (c) (d) Figura 3.4 – Alguns processos de alargamento: (a) cilíndrico de desbaste*; (b) cilíndrico de acabamento; (c) cônico de desbaste; (d) cônico de acabamento. 3.1.5. Rebaixamento Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de uma forma qualquer na extremidade de um furo. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e a ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo de rotação da ferramenta (Fig. 3.5)2. Figura 3.5 – Alguns processos de rebaixamento. 3.1.6. Mandrilamento Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies de revolução com auxílio de uma ou várias ferramentas de barra. Para tanto, a ferramenta gira e a peça ou a ferramenta se deslocam simultaneamente segundo uma trajetória determinada. O mandrilamento pode ser cilíndrico, radial, cônicoe de superfícies especiais (p.ex. esférico, sangramento etc.). Quanto à finalidade, as operações de mandrilamento podem ser classificadas ainda em desbaste e acabamento (Fig. 3.6). (a) (b) (c) Figura 3.6 – Alguns processos de mandrilamento: (a) cilíndrico*; (b) radial; (c) cônico. 3.1.7. Fresamento Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com o auxílio de ferramentas geralmente multicortantes. Para tanto, a ferramenta gira e a peça ou a ferramenta se deslocam 2 As operações indicadas nas figuras são denominadas por alguns autores, de escareamento. 12 segundo uma trajetória qualquer. Distinguem-se dois tipos básicos de fresamento: tangencial e frontal. Há casos que os dois tipos básicos de fresamento comparecem simultaneamente, podendo haver ou não predominância de um sobre outro (Fig. 3.7). (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 3.7 – Alguns processos de fresamento: (a) cilíndrico tangencial; (b) cilíndrico tangencial concordante; (c) cilíndrico tangencial discordante; (d) frontal; (e) frontal de canal com fresa de topo; (f) composto. Fresamento cilíndrico tangencial. Processo de fresamento destinado à obtenção de superfície plana paralela ao eixo de rotação da ferramenta. Quando a superfície obtida não for plana ou o eixo de rotação da ferramenta for inclinado em relação à superfície originada na peça, será considerado um processo especial de fresamento tangencial. Fresamento frontal. Processo de fresamento destinado à obtenção de superfície plana perpendicular ao eixo de rotação da ferramenta. 3.1.8. Serramento Processo mecânico de usinagem destinado ao secionamento ou recorte com auxílio, de ferramentas multicortantes de pequena espessura. Para tanto, a ferramenta gira ou se desloca, ou executa ambos os movimentos e a peça se desloca ou se mantém parada. O serramento pode ser retilíneo (alternativo, contínuo) e circular (Fig. 3.8). (a) (b) (c) Figura 3.8 – Alguns processos de serramento: (a) alternativo*; (b) contínuo; (c) circular. Serramento retilíneo. Processo de serramento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea com movimento alternativo ou não (contínuo). 13 Serramento circular. Processo de serramento no qual a ferramenta gira ao redor de seu eixo e a peça ou ferramenta se desloca. 3.1.9. Brochamento Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com auxílio de ferramentas multicortantes. Para tanto, a ferramenta ou a peça se deslocam em trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo da ferramenta. O brochamento pode ser interno ou externo (Fig. 3.9). (a) (b) Figura 3.9 – Processos de brochamento: (a) interno*; (b) externo. 3.1.10. Roscamento Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de filetes, por meio da abertura de um ou vários sulcos helicoidais de passo uniforme, em superfícies cilíndricas ou cônicas de revolução. Para tanto, a peça ou a ferramenta gira e uma delas se desloca simultaneamente segundo uma trajetória retilínea paralela ou inclinada ao eixo de rotação. O roscamento pode ser interno ou externo (Fig. 3.10). (a) (b) (c) Figura 3.10 – Alguns processos de roscamento: (a) externo com ferramenta de perfil único; (b) interno com ferramenta de perfil múltiplo; (c) interno com macho*. 3.2. Processos de Usinagem com Ferramentas de Geometria Não-Definida 3.2.1. Retificação Processo de usinagem destinado à obtenção de superfícies com auxílio de ferramenta abrasiva de revolução. Para tanto, a ferramenta gira e a peça ou a ferramenta se desloca segundo uma trajetória determinada, podendo a peça girar ou não. A retificação pode ser tangencial ou frontal (Fig. 3.11). Retificação tangencial. Processo de retificação executado com a superfície de revolução da ferramenta. Pode ser: cilíndrica (externa ou interna, de revolução ou não, com diferentes avanços da ferramenta ou da peça); cônica (externa ou interna, com diferentes avanços da ferramenta ou da peça); de perfis; plana; sem centros (com avanço longitudinal da peça ou radial do rebolo). 14 Retificação frontal. Processo de retificação executado com a face do rebolo. É geralmente executada na superfície plana da peça, perpendicularmente ao eixo do rebolo. A retificação frontal pode ser com avanço retilíneo ou circular da peça. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 3.11 – Alguns processos de retificação: (a) cilíndrica externa com avanço longitudinal; (b) tangencial plana; (c) frontal com avanço retilíneo da peça; (d) cônica externa com avanço longitudinal; (e) cilíndrica interna com avanço longitudinal; (f) cilíndrica sem centros com avanço longitudinal contínuo da peça. 3.2.2. Brunimento Processo mecânico de usinagem por abrasão, empregado no acabamento de furos cilíndricos de revolução, no qual todos os grãos ativos da ferramenta abrasiva estão em constante contato com a superfície da peça e descrevem trajetórias helicoidais. Para tanto, a ferramenta ou a peça gira e se desloca axialmente com movimento alternativo (Fig. 3.12). Figura 3.12 – Processo de brunimento. 3.2.3. Lapidação Processo mecânico de usinagem por abrasão, executado com abrasivo aplicado por porta- ferramenta adequado, com objetivo de se obter dimensões especificadas da peça (Fig. 3.13). 3.2.4. Polimento Processo mecânico de usinagem por abrasão no qual a ferramenta é constituída por um disco ou conglomerado de discos revestidos de substâncias abrasivas (Fig. 3.14). 15 Figura 3.13 – Processo de lapidação. Figura 3.14 – Processo de polimento. 3.2.5. Superacabamento Processo mecânico de usinagem por abrasão, empregado no acabamento de peças, no qual os grãos ativos da ferramenta abrasiva estão em constante contato com a superfície da peça. Para tanto, a peça gira lentamente e, a ferramenta se desloca com movimento alternativo de pequena amplitude e frequência relativamente grande. O processo pode ser cilíndrico (Fig. 3.15a) ou plano (Fig. 3.15b). (a) (b) Figura 3.15 – Usinagem de superacabamento: (a) cilíndrico*; (b) plano. 3.2.6. Espelhamento Processo mecânico de usinagem por abrasão no qual é dado o acabamento final da peça por meio de abrasivos, associados a um dispositivo porta-ferramenta específico para cada tipo de operação, com o fim de se obter uma superfície especular (Fig. 3.16). Figura 3.16 – Usinagem de espelhamento 16 3.2.7. Lixamento Processo mecânico de usinagem por abrasão executado por abrasivo aderido a uma tela e movimentado com pressão contra a peça (Fig. 3.17). 3.2.8. Jateamento Processo mecânico de usinagem por abrasão no qual as peças são submetidas a um jato abrasivo, para serem rebarbadas, asperizadas ou receberem um acabamento (Fig. 3.18). Figura 3.17 – Processo de lixação com fita abrasiva. Figura 3.18 – Processo de jateamento. 3.2.9. Limagem Processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com auxílio de ferramentas multicortantes (elaboradas por picagem) de movimento contínuo ou alternativo. O primeiro se dá por lima de segmentos em forma de fita (Fig. 3.19) e o segundo através de ferramenta manual*. 3.2.10. Tamboreamento Processo mecânico de usinagem no qual as peças são colocadas no interior de um tambor rotativo, juntamente ou não com materiais especiais, para serem rebarbadas ou receberem um acabamento. A Figura 3.20 esquematiza o processo. Figura 3.19 – Processo de limagem contínua. Figura 3.20 – Processo de tamboreamento. 3.2.11. Afiação Processo mecânico de usinagem por abrasão, no qual é dado oacabamento das superfícies da cunha cortante da ferramenta, com o fim de habilitá-la desempenhar sua função. Desta forma, são obtidos os 17 ângulos finais da ferramenta. A Figura 3.21 mostra o processo de afiação de uma ferramenta (bit) de aço- rápido utilizando um esmeril (pedra abrasiva). Figura 3.21 – Processo de afiação 3.3. Processos Não-Convencionais de Usinagem 3.3.1. Usinagem por ultrassom Processo de usinagem não convencional que utiliza energia mecânica na remoção de material em que a erosão é o mecanismo principal. A remoção consiste na utilização de frequências ultrassônicas na usinagem de materiais. Essa técnica tomou novo impulso a partir dos anos 80 devido ao seu desempenho na usinagem de cerâmicas avançadas. Esses materiais, devido às propriedades mecânicas como elevada dureza e fragilidade, mostram-se muito difíceis de serem usinados por técnicas convencionais de usinagem. Em relação aos outros processos não tradicionais de usinagem a vantagem principal é a preservação da integridade superficial do material usinado. O princípio do processo de usinagem por ultrassom baseia-se na transformação de um sinal elétrico em vibrações mecânicas de mesma frequência. Este sinal elétrico deve ser de alta frequência, situado na faixa dos 20 kHz. As vibrações produzidas por um transdutor têm sua amplitude amplificada por um amplificador mecânico e transmitida a uma ferramenta de forma através do sonotrodo (Fig. 3.22). Figura 3.22 – Esquema da usinagem por ultrassom. 3.3.2. Usinagem por jato d’água Este processo enquadra-se no grupo de remoção mecânica, onde a força de impacto exercida por um jato de água em alta pressão na superfície de contato do material supera a tensão de compressão entre 18 as moléculas, seccionando o mesmo com auxílio de grãos abrasivo. A configuração das instalações para corte com jato d’água (Fig. 3.23) pode ser subdividida em três blocos funcionais: bomba de alta pressão; instalação de corte; estação de filtragem. Figura 3.23 – Esquema de uma instalação de corte por jato d’água. 3.3.3. Usinagem eletroquímica Este é um processo não convencional muito importante e relativamente novo (década de 90) no qual o principal objetivo é a remoção de material empregando um eletrólito e corrente elétrica contínua para ionizar e remover porções metálicas da peça-obra. A remoção é realizada através do escoamento a alta velocidade do eletrólito entre uma ferramenta (cátodo) e uma peça (ânodo), segundo um perfil apresentado por uma ferramenta (eletrodo). Os esquemas da Figura 3.24 mostram a usinagem eletroquímica, na qual se pode observar a ferramenta e a peça mergulhadas em um eletrólito. Figura 3.24 – Usinagem eletroquímica: peça antes e depois da usinagem. 3.3.4. Usinagem por eletroerosão Processo de usinagem não convencional que utiliza energia termelétrica na remoção de material em que a fusão e a vaporização do material usinado formam os mecanismos principais. É um processo de 19 usinagem por descargas elétricas para a geração de orifícios, ranhuras e cavidades, geralmente de pequenas dimensões. A remoção de material é ocasionada por faíscas elétricas incidentes a alta frequência. A descarga de faíscas é produzida por pulsação controlada de corrente contínua entre a peça- obra (eletrodo positivo) e a ferramenta (eletrodo negativo) imersas em um fluido dielétrico ionizado. A distância da ferramenta à peça varia entre 10 e 50 m. O fluido dielétrico serve como condutor da faísca e como meio refrigerante. O perfil do eletrodo corresponde à contra forma do detalhe a ser obtido na peça. Este processo aplica-se bem a materiais de elevada dureza e baixa usinabilidade. Há dois processos básicos de eletroerosão (Fig. 3.25): a fio e por penetração. (a) (b) Figura 3.25 – Usinagem por eletroerosão: (a) a fio; (b) por imersão. 3.3.5. Usinagem por feixe de elétrons Processo baseado na energia termelétrica para remoção de material. Para tanto, utiliza um feixe de elétrons a alta velocidade, que atua no vácuo, provocando a vaporização do metal da peça-obra pelo choque dos elétrons contra a superfície da peça-obra. O processo se aplica à confecção de pequenos orifícios e cavidades. Os componentes básicos, presentes em todas as máquinas de feixe de elétrons, são: canhão emissor de elétrons, lentes de focalização e sistema de ajuste de foco. Estes componentes estão alojados numa câmara de vácuo, Figura 3.26. Figura 3.26 – Princípio de remoção pela usinagem por feixes de elétrons. 20 3.3.6. Usinagem a laser Processo baseado na energia termelétrica para remoção de material em que o metal é fundido e vaporizado por feixe colimado de luz monocromática intensa chamada LASER (do inglês Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). O sistema de lentes focais produz um feixe de luz concentrado, obtido por excitação dos elétrons de determinados átomos, utilizando um veículo ativo que pode ser um sólido (rubi) ou um gás de assistência (CO2 pressurizado). Este feixe de luz produz intensa energia na forma de calor (Fig. 3.21). Este processo também se aplica a chapas finas de metal, madeira, plástico, vidro e cerâmica, com um mínimo de desperdício e sem distorções. Ao utilizar o laser tem-se um corte de altíssimo nível de precisão, o que permite realizar tarefas extremamente delicadas. Figura 3.21 – Princípio de remoção pela usinagem por laser. 3.3.7. Usinagem por arco plasma Processo baseado na energia termelétrica para remoção de material, em que o plasma é gerado pela sujeição de um volume de gás aquecido por arco elétrico a uma temperatura suficientemente alta para iniciar a ionização ao bombeamento de elétrons em alta velocidade gerados por um arco elétrico. O plasma é utilizado como elemento de fusão e vaporização da peça-obra. A Figura 3.22 mostra o principio de remoção na usinagem por arco plasma. Figura 3.22 – Princípio de remoção pela usinagem por arco plasma. 21 3.4. Comparação dos Diferentes Processos de Fabricação por Usinagem Diante dos muitos processos de fabricação por usinagem disponíveis, dos inúmeros aparatos tecnológicos, dos recém-desenvolvidos em laboratórios de pesquisa para aplicações nos diversos setores de produção, e da sedução exercida pelas novidades e pelos modismos, não são poucos os profissionais da área que encontram dificuldades para discernir qual a melhor solução para cada necessidade. Na verdade, não existe uma regra geral para se determinar a qual a decisão é a mais ou menos correta. Em cada caso, é importante comparar os custos e as condições técnicas. Sobretudo, é preciso que se tenham conhecimentos e informações sobre as opções disponíveis, para que se possa avaliar criteriosamente o interesse industrial de cada método de trabalho. Uma maneira interessante de formar uma visão de conjunto consiste em agrupar os diversos métodos em função dos atributos comuns que apresentam. Um fator importante na análise dos métodos de produção é a natureza da energia envolvida no processo. De acordo com esta natureza, podem-se agrupar os métodos avançados de usinagem em quatro categorias: mecânica, química, eletroquímica e termelétrica, como mostra a Tabela 3.1. A Tabela 3.1 põe em evidência o modo de remoção de material em cada um dos métodos avançados. Por outro lado, nos processos tradicionais de usinagem, o arranque de material se dá, em geral, por cisalhamento. Outro aspecto importante a considerar refere-se aos campos de aplicação destes novos processos de usinagem, destaque da Tabela 3.2. Nota-se nesta última tabela que a eletroerosão aplica-se somente a materiais condutores. Consequentemente, o processo não se presta à usinagem demateriais maus condutores, como a madeira, as resinas etc., das quais habitualmente são feitas as matrizes, protótipos e moldes para fundição. Tabela 3.1 – Divisão dos processos não convencionais Tabela 3.2 – Aplicações dos processos não convencionais A usinagem eletroquímica também só se aplica a corpos condutores. Óxidos isolantes ou materiais vitrificados são obstáculos ao uso desse método. O corte por plasma é outro método aplicável apenas a metais condutores, como o aço inoxidável, o alumínio e outros metais não ferrosos, tendo surgido como uma alternativa ao oxicorte, que não era aplicável aos materiais acima por gerar reações químicas. NATUREZA ENERGÉTICA MODO DE REMOÇÃO PROCESSO Mecânica Erosão Jato D’água Ultrassom Química Reações químicas Remoção química Eletroquímica Reações eletrolíticas Remoção eletroquímica Termelétrica Fusão/ vaporização Corte a laser Corte a plasma Feixe de elétrons Eletroerosão PROCESSO APLICAÇÕES Eletroerosão Remoção eletroquímica Corte a plasma Usinagens diversas em materiais condutores Ultrassom Usinagens diversas em materiais maus condutores Remoção química Usinagem de peças delicadas Corte a laser Feixe de elétrons Jato D’água Micro usinagem 22 Em uma segunda categoria, a dos métodos aplicados a materiais maus condutores, destacam-se o ultrassom e o ultrassom rotativo. Estes métodos são especialmente adequados para a usinagem de materiais frágeis, duros ou quebradiços, como o vidro, a cerâmica e o diamante. Quando o objetivo é a micro-usinagem, o campo de escolha do método pode recair sobre o feixe de elétrons, o jato d’água ou o laser (Fig. 3.23). Figura 3.23 – Micro-usinagem laser 3D de uma borboleta ao lado de uma moeda. Entretanto, uma análise mais acurada de qualquer desses métodos é necessária, antes da definição do procedimento a adotar. Por exemplo, o feixe de elétrons pode levar a alterações da estrutura cristalina, na região de corte, o que o tornaria contraindicado para usinagem de aços com alto teor de carbono, onde um endurecimento da superfície não é desejável. Como se vê, certas condições impõem um procedimento particular: alguns materiais não podem ser atacados por abrasão, por eletroerosão ou por eletrólise. Uma fresa não pode usinar uma forma reentrante, que um eletrodo facilmente usinaria. Alguns materiais excluem a possibilidade de usinagem termelétrica. O feixe de elétrons produz grande exatidão, mas só se justifica sua aplicação para dimensões reduzidas. Assim, uma visão de conjunto das diferentes técnicas é sempre indispensável para julgar com conhecimento de causa, sem deixar de lado os procedimentos convencionais, facilmente ignorados, embora mais econômicos em algumas situações. 23 4. CARACTERIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE ENTRADA E SAÍDA 4.1. Generalidades Dentre as variáveis envolvidas no processo de fabricação com formação de cavaco, existem aquelas nas quais se podem intervir (variáveis independentes de entrada) e aquelas nas quais não se podem (variáveis dependentes de saída), já que sofrem influência da mudança nos parâmetros de entrada. A Figura 4.1 resume as relações entrada/saída associadas com o processo de torneamento. Figura 4.1 – Relações de entrada e saída em torneamento. Uma maneira de controlar o processo de usinagem é atuar diretamente nas variáveis de entrada (independentes) e mensurar seu efeito através da medida de variáveis dependentes de saída. As condições ideais para um determinado processo de usinagem podem ser determinadas com um melhor aproveitamento da ferramenta de corte e uma melhor taxa de remoção de material. Desta forma, a pessoa responsável pelo controle da produção trabalha na supervisão destas variáveis, usualmente indiretas. 4.2. Variáveis Independentes de Entrada As variáveis independentes de entrada destacadas na Figura 4.1 são: material da peça, material da ferramenta, geometria da ferramenta, parâmetros de corte e máquina-ferramenta. Ferramenta de Corte Geometria: • ângulos (, , r) • raio de quina (r) • arredondamento do gume Material: • dureza • acabamento • revestimento Planejamento Experimental Seleção dos níveis e do número de variáveis de entrada Máquina-ferramenta Parâmetros de Corte Avanço (f) Profundidade de corte (ap) Velocidade de corte (vc) Ambiente de corte: • a seco • com lubri-refrigerante Peça ou Componente Material Geometria Cristalografia Pureza Tratamento térmico Dureza PROCESSO DE TORNEAMENTO Variáveis de Saída Tipo de cavaco Força Potência Temperatura Vibração Falhas na ferramenta Acabamento da superfície Dimensões da peça Ferramenta de Corte Geometria: • ângulos (, , r) • raio de quina (r) • arredondamento do gume Material: • dureza • acabamento • revestimento Planejamento Experimental Seleção dos níveis e do número de variáveis de entrada Máquina-ferramenta Parâmetros de Corte Avanço (f) Profundidade de corte (ap) Velocidade de corte (vc) Ambiente de corte: • a seco • com lubri-refrigerante Peça ou Componente Material Geometria Cristalografia Pureza Tratamento térmico Dureza PROCESSO DE TORNEAMENTO Variáveis de Saída Tipo de cavaco Força Potência Temperatura Vibração Falhas na ferramenta Acabamento da superfície Dimensões da peça Prof. André João de Souza 24 4.2.1. Material e geometria da peça As dimensões, o material e a necessidade de qualidade na peça a ser usinada influenciam no tipo de operação de corte (desbaste ou acabamento, usinagem externa ou interna, tamanho do lote, percurso da ferramenta etc.). Na definição do processo de fabricação por usinagem: Algumas características dimensionais devem ser avaliadas: peça estável e grande; peça delgada e longa, de parede fina e pequena; necessidade de raio de canto; necessidade de fixação especial. Algumas particularidades do material devem ser analisadas: cavaco gerado, dureza, tenacidade. Algumas necessidades de qualidade devem ser consideradas: tolerância, rugosidade, integridade. 4.2.2. Material e geometria da ferramenta de corte O tipo de operação afeta a escolha da ferramenta. O formato da pastilha deve ser selecionado com relação à acessibilidade do ângulo de posição (r) necessário para a ferramenta. O maior ângulo de ponta (r) possível deve ser aplicado para proporcionar resistência e confiabilidade à pastilha. Mas isso tem que ser balanceado em relação à variação de cortes necessários. O ângulo de ponta grande é robusto, mas demanda mais potência da máquina e tem uma tendência maior para vibrar. Um ângulo de ponta pequeno é mais fraco e tem uma aresta de corte pequena, o que a torna mais sensível aos efeitos térmicos. A Figura 4.2 mostra a influência da escolha da geometria do inserto na usinagem. A Escala 1 indica a resistência da aresta de corte. Quanto maior o ângulo de ponta à esquerda, maior é a resistência; para melhor versatilidade e acessibilidade, as pastilhas à direita são superiores. A Escala 2 indica os aumentos de tendência a vibrações para a esquerda, enquanto que a necessidade de potência reduz para a direita. Figura 4.2 – Influência da geometria do inserto na usinagem. Deve-se sempre que possível combinar o mais apropriado material de ferramenta de corte (classe) e a geometria do inserto (ou pastilha) com o material da peça a ser usinado para obter uma usinagem sem problemas e produtiva. Outros fatores, como parâmetros de corte, percurso da ferramenta (longitudinal, transversal,de perfil, dentre outros) etc. também são vitais para um resultado bem-sucedido. A geometria e a classe do inserto se complementam quando estão sendo aplicadas, por exemplo, a falta de resistência da geometria de uma pastilha pode ser compensada pela tenacidade da sua classe. Os materiais da ferramenta de corte possuem diferentes combinações de dureza, tenacidade e resistência ao desgaste e são divididos em várias classes com propriedades específicas. Geralmente, um material para ferramenta de corte bem-sucedido em sua aplicação deve ser: Duro, para resistir ao desgaste de flanco e à deformação. Tenaz, para resistir a quebras. 25 Não reativo com o material da peça. Quimicamente estável para resistir à oxidação e à difusão. Resistente a alterações térmicas repentinas. A classe do inserto é selecionada principalmente de acordo com o material da peça (ISO P, M, K, N, S, H), o tipo de aplicação (F, M, R) e as condições de usinagem (boa, média, difícil). Exemplos de classes comuns para materiais diferentes (Fig. 4.3): Metal duro com cobertura (GC4205, GC4215, GC4225, etc.); Metal duro sem cobertura (H10, H13A, etc.); Cermets (CT1525, CT5015, etc.); Cerâmica (CC6050, CC6090, etc.); Nitreto de boro cúbico (CB7015, CB7025, etc.); Diamante policristalino (CD10). Figura 4.3 – Classes comuns para materiais diferentes 4.2.3. Máquina-ferramenta e parâmetros de usinagem Estabilidade, potência e torque especiais para as peças maiores. Fornecimento (interno ou externo) de refrigeração e fluido de corte. Necessidade de refrigeração de alta pressão para a quebra de cavacos em materiais com cavacos longos. Número de trocas de ferramenta / número de ferramentas na torre. Limitações de rotação e de avanço da barra no magazine. Necessidade de contraponto. 4.3. Variáveis Dependentes de Saída As variáveis dependentes de saída são determinadas pelo processo, baseando-se na prévia seleção das variáveis independentes de entrada. As mais importantes são: tipo e forma de cavaco; força e potência 26 de usinagem; vibração; temperatura na região de corte; falhas na ferramenta de corte; acabamento da superfície usinada. 4.3.1. Tipo e forma do cavaco A geometria e o tamanho dos cavacos, bem como a maneira como se formam os mesmos, têm uma importância predominante, principalmente em processos que apresentem um espaço reduzido para armazenamento do cavaco (por exemplo, furacão, brochamento e fresamento) e naqueles em que se tem pequeno espaço disponível para o trabalho e grande volume de cavaco gerado. As principais influências sobre a formação de cavaco são as condições de corte e a geometria da ferramenta. A quebra adequada do cavaco pode ser obtida pela diminuição da deformação do material da peça ou pelo aumento da deformação do cavaco. Como a capacidade de deformação do material é dependente da temperatura na região de corte, uma redução da velocidade de corte (vc) ou a refrigeração da região de corte levam a cavacos mais quebradiços. De importância maior, no entanto, é o aumento do grau de deformação por um maior encurvamento do cavaco. Para isto deve-se reduzir o ângulo de saída () ou empregar um quebra-cavaco. Também um aumento da espessura de usinagem, para o mesmo raio de curvatura do cavaco, leva a um grau de deformação maior na parte externa do cavaco, o que propicia a sua quebra. Além disso, existe a possibilidade de se concluir sobre a usinabilidade de um material pelo fator de recalque (Rc) do cavaco. A formação do cavaco é basicamente influenciada pela deformação, pela tenacidade e pela resistência ou estado metalúrgico do material da peça. Um aumento da resistência ou uma diminuição da tenacidade geralmente levam a uma melhor quebra do cavaco. Assim, estruturas com grãos grosseiros (p.ex. as obtidas por um tratamento térmico de crescimento de grão) ou com inclusões duras favorecem a ocorrência de cavacos irregulares e de quebra mais fácil. Uma grande influência sobre o mecanismo de formação de cavaco é propiciada pelos elementos químicos fósforo (P), enxofre (S) e chumbo (Pb). Estes materiais levam a um cavaco de quebra fácil e, em decorrência disso, são adicionados aos aços dos quais se espera uma boa usinabilidade. Como o desgaste de cratera gerado durante a usinagem tem uma influência imediata sobre a geometria da ferramenta, considera-se que esta falha age sobre o mecanismo de formação de cavaco. Ferramentas de metal-duro sem quebra-cavacos sinterizados na pastilha apresentam cavacos com raio de curvatura menor à medida que a profundidade da cratera cresce, isto é, o grau de deformação do cavaco é aumentado. Disso, em geral, resulta uma melhor quebra do cavaco. Ferramentas com quebra-cavaco sinterizada na pastilha tem essa ranhura modificada com o aumento do tempo de corte. Em virtude disso o raio de curvatura do cavaco pode aumentar e, em função deste aumento, a quebra de cavaco torna-se menos propícia. O critério da formação de cavacos normalmente é relacionado com o ensaio de vida da ferramenta pela observação dos cavacos produzidos. A Figura 4.4 mostra diversas formas de cavaco e sua designação. Cavacos helicoidais planos preferencialmente apresentam a sua saída tangenciando o flanco da ferramenta e, em decorrência disso, danificam o suporte e a quina da ferramenta. Cavacos em fitas, cavacos emaranhados e cavacos fragmentados apresentam um perigo ao operador da máquina-ferramenta. 4.3.2. Força e potência de usinagem Durante o mecanismo de formação de cavacos, constata-se que as condições de interface cavaco/ ferramenta influenciam significativamente a força de usinagem. 27 DESFAVORÁVEL FAVORÁVEL BOM FAVORÁVEL (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) Figura 4.4 – Formas de cavaco em torneamento: (a) fita; (b) fita emaranhada; (c) hélice plana; (d) hélice oblíqua; (e) hélice cilíndrica longa; (f) hélice cilíndrica curta; (g) hélice espiral; (h) espiral; (i) vírgula; (j) arrancados. O conhecimento da grandeza e da orientação da força de usinagem (F) e/ou de suas componentes (força de corte “Fc”, força de avanço “Ff” e força passiva “Fp”) é a base para: O projeto de uma máquina-ferramenta, isto é, para o dimensionamento correto das estruturas, acionamentos, fixação de ferramentas e guias, entre outros elementos. A determinação das condições de corte em condições de trabalho. A avaliação da precisão de uma máquina-ferramenta, em certas condições de trabalho (deformação da peça e da máquina). A determinação de procedimentos que ocorrem na região de formação de cavaco e para a explicação de mecanismos de desgaste. De maneira geral, pode-se afirmar que todos os fatores que contribuem para facilitar o deslizamento do cavaco sobre a superfície de saída atuam para diminuir a força de usinagem (F). Além das condições na interface cavaco/ferramenta, a resistência mecânica do material da peça também deve ser considerada para a força de usinagem. Assim, todos os outros parâmetros de saída do processo (ângulo de cisalhamento, espessura do cavaco, velocidade e saída do cavaco, forças de corte etc.) são, direta ou indiretamente, consequência desses dois fatores. Além das condições de corte, da geometria e do material da ferramenta, o material da peça também influencia a grandeza da força de usinagem – geralmente materiais de difícil usinabilidade apresentam forças de usinagem maiores. A potência de usinagem resulta da soma das potências necessárias para cada componente da força de usinagem, bem como do produto da velocidade pela força e pelo cosseno do ângulo entre ambas. Assim, somente os componentes de corte (Fc) e avanço (Ff) contribuem para a potência de usinagem. Há quese levar em consideração que os valores de potência obtidos para os motores de acionamento na direção de avanço são, geralmente, bem menores que os da direção de corte (isto é, no eixo-árvore). Por isso, na maioria dos casos de seleção de máquina, a potência de avanço é desprezada. 4.3.3. Vibração O conjunto máquina-ferramenta-peça apresenta características de rigidez, amortecimento e vibrações que são essenciais para a qualidade da operação de usinagem. Esse fenômeno complexo vem sendo estudado há mais de cem anos em suas três formas básicas: a vibração livre, a vibração forçada e a vibração autoexcitada. As vibrações podem causar desgaste prematuro da ferramenta de corte, 28 interferência na qualidade superficial, perda de precisão dimensional, danos em componentes da máquina operatriz, além de ruídos indesejáveis e prejudiciais ao ambiente de produção. A vibração livre é causada por choque e outros eventos externos independentes; a vibração forçada é geralmente causada por forças periódicas presentes na máquina, como forças provenientes de engrenagens ou da instabilidade de componentes da máquina além de desalinhamentos de motores ou de bombas. Além disso, as vibrações forçadas podem ser causadas pelo contato periódico da ferramenta de corte com a superfície da peça. Já a vibração autoexcitada, também conhecida por chatter (normalmente traduzida por trepidação), é causada pelas interações do processo de remoção de cavaco com a estrutura da máquina. O chatter ocorre quando o deslocamento relativo ferramenta/peça é tal que o corte é repentinamente interrompido, causando uma variação da espessura do cavaco e gerando a trepidação. 4.3.4. Temperatura na região de corte A energia gasta no processo de formação de cavacos é percebida na forma de calor através do trabalho de cisalhamento interno do material e dos atritos provocados pela aderência entre as superfícies nas interfaces cavaco/ferramenta e ferramenta/peça. O trabalho realizado e, consequentemente, o calor gerado, depende das propriedades do material da peça e da ferramenta, da geometria da ferramenta e das condições de corte. O calor aumenta com a taxa de remoção de material (Q)3 seja por meio do aumento da velocidade de corte (vc), do avanço (f) ou da profundidade de corte (ap). Entre esses parâmetros, vc é a mais influente para velocidades baixas e moderadas4, seguido por f e por último ap. Neste caso, a temperatura afeta as propriedades mecânicas do material da peça e, por conseguinte, a interação das forças entre ferramenta e peça; além disso, a temperatura tem uma considerável influência no desgaste da ferramenta, tanto na superfície de saída (desgaste de cratera na face) quanto na superfície de folga (desgaste frontal no flanco). Existem, portanto, limites para vc e f devido às elevadas temperaturas na ferramenta. A temperatura da ferramenta pode não ser considerada o maior problema na usinagem de materiais macios e de baixo ponto de fusão, como o alumínio e o magnésio, mas torna-se fator de controle da taxa de remoção de material na usinagem de materiais duros e de alto ponto de fusão, como ferros fundidos, aços, ligas de níquel e de titânio. A maior parte da usinagem ocorre em aços e ferros fundidos, e, no corte destes e das ligas à base de níquel, surgem problemas técnicos e econômicos mais sérios. O corte desses metais gera um maior aquecimento da ferramenta, provocando seu colapso em curto tempo de usinagem. 4.3.5. Falhas na ferramenta de corte Diversos são os tipos de degastes e avarias que acontecem em uma ferramenta de corte em usinagem. Dentre eles, os principais são: desgaste de flanco; desgaste de cratera; deformação plástica; lascamentos; trincas; quebra. A Tabela 4.1 resume as principais causas dos diversos desgastes e avarias da ferramenta e as ações a serem tomadas no caso de um desses estar ocorrendo de maneira acentuada. 3 Em torneamento e furação: Q = vcfap. Em fresamento: Q = vf apae. 4 Há a possibilidade de formar cavacos com tanta rapidez que a transmissão de calor não se dá para a peça ou ferramenta, chegando ao que poderia ser chamado “corte adiabático”. Por definição, um processo adiabático é aquele em que não há troca de calor entre o sistema e o meio. 29 Tabela 4.1 – Causas e ações para minimização de avarias e desgastes da ferramenta. TIPO DE DESGASTE E/OU AVARIA POSSÍVEIS CAUSAS AÇÕES PARA MINIMIZAÇÃO Desgaste de Flanco Abrasão. Velocidade de corte muito alta ou muito baixa (se a causa for APC). Resistência ao desgaste insuficiente da ferramenta. Aresta Postiça de Corte (APC). Redução da velocidade de corte. Seleção de classe de ferramenta mais resistente ao desgaste. Aumento da velocidade de corte (se o desgaste for causado pela APC). Desgaste de Cratera Difusão Classe de ferramenta com cobertura de óxido de alumínio (Al2O3). Desgaste de Entalhe Oxidação Fluido de corte com agentes antioxidantes. Redução da velocidade de corte. Deformação Plástica Altas temperaturas combinadas c/ altas pressões na região de corte. Classe de ferramenta com maior dureza a quente. Redução da velocidade de corte. Trincas de Origem Mecânica Variação excessiva de esforços na aresta de corte. Classe de ferramenta mais tenaz. Redução do avanço. Suavização do primeiro contato da ferramenta com a peça. Aumento da estabilidade. Trincas de Origem Térmica Variação excessiva de temperatura na aresta de corte. Classe de ferramenta mais tenaz. Aplicação do fluido de corte em abundância ou corte a seco. Lascamento e Quebra Classe da ferramenta frágil. Geometria da ferramenta fraca. Choques entre ferramenta/peça. Classe de ferramenta mais tenaz. Aumento do ângulo de ponta (r), do raio de ponta (r) e/ou do ângulo de cunha () (chanframento da aresta). Suavização do primeiro contato da ferramenta com a peça. 30 4.3.6. Acabamento da superfície usinada A qualidade de superfícies obtidas por usinagem pode ser um critério para a determinação dos parâmetros de entrada na usinagem, caso não haja outros critérios específicos. Como fatores influentes sobre a qualidade superficial, de início são considerados as condições de corte e a geometria da ferramenta. Os fatores que influenciam na superfície estão resumidos, de forma característica, na Fig. 4.5. Figura 4.5 – Fatores influentes sobre a qualidade superficial na usinagem de metais. 31 Prof. André João de Souza 5. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: MATERIAL E GEOMETRIA DA PEÇA 5.1. Material da Peça A indústria de usinagem produz uma variedade extremamente ampla de peças usinadas em materiais muito diferentes. Cada material possui suas características exclusivas que são influenciadas pelos elementos de liga, tratamento térmico, dureza, etc. A combinação desses influencia significativamente a escolha da geometria da ferramenta de corte, a classe e os dados de corte. As propriedades físicas, químicas e mecânicas do material da peça bruta (dureza, resistência à tração, composição química, inclusões, afinidade química com o meio lubrirrefrigerante ou com a ferramenta, microestrutura, encruamento etc.) podem ser especificadas ou previamente conhecidas. Normalmente, materiais com baixos valores de dureza permitem-se usinar com maiores parâmetros cinemáticos (velocidade de corte e avanço) e de profundidade, bem como obter longos tempos de vida da ferramenta e, consequentemente, altas taxas de remoção de cavacos a menores custos operacionais. Também se esperam baixasforças e potências de usinagem. Exceções são os materiais de baixa dureza e alta ductilidade, que tendem a formar cavacos longos, produzir rebarbas excessivas na peça usinada e gerar arestas postiças de corte nas ferramentas. Tais rebarbas exigem operações posteriores, aumentando assim os custos e o tempo de entrega. Materiais com baixa ductilidade e baixa dureza são, geralmente, de fácil usinagem, como é o caso do ferro fundido: os cavacos tendem a ser altamente segmentados e a energia necessária para a sua remoção é baixa. Alta condutividade térmica significa que o calor produzido na região de formação de cavacos é rapidamente conduzido para as imediações, longe da região de corte. Altos valores desse parâmetro são, em geral, desejados. Infelizmente, a condutividade do material usinado nem sempre é uma escolha do engenheiro de fabricação, embora se possam projetar algumas ligas para melhorar o desempenho dos processos de usinagem. De maneira bem geral e simplificada, podem-se classificar as ligas metálicas para usinagem na seguinte ordem: a) ligas de alumínio, de cobre e de magnésio; b) aços não ligados; c) ferros fundidos; d) aços ligados; e) aços inoxidáveis; f) ligas de alta resistência térmica e mecânica. A Figura 5.1 mostra alguns exemplos destes materiais. Embora nem todos os materiais usinados estejam na lista anterior, os que lá constam servem de comparação para estabelecer uma usinabilidade relativa. Analogamente, durante a usinagem dessas ligas, a vida da ferramenta piora na mesma proporção. Outra abordagem refere-se à classificação ISO, em que os materiais da peça foram divididos em seis grupos principais, de acordo com as suas propriedades exclusivas referentes à usinabilidade (Fig. 5.2): ISO P – aços; ISO M – aços inoxidáveis; ISO K – ferros fundidos; ISO N – materiais não ferrosos; ISO S – superligas resistentes ao calor e titânio; ISO H – aços endurecidos. Maiores detalhes no Capítulo 6. À medida que são deformados plasticamente, alguns materiais metálicos apresentam a característica de aumentar a sua resistência mecânica, o que pode ser denominado “endurecimento por deformação” ou encruamento. O nível de encruamento depende da taxa de deformação e da capacidade de endurecimento do material. Uma alta taxa de encruamento significa um rápido aumento de resistência em relação à taxa de deformação. Quando se formam cavacos, a taxa de deformação é localmente muito alta. Materiais com alta taxa de encruamento são os aços inoxidáveis austeníticos, com ligas de alta resistência térmica e mecânica. Aços-carbono, no entanto, são materiais com baixa taxa de encruamento. 32 (a) Liga de Alumínio 6061-T6 (b) Aço-carbono 1045 (c) Ferro Fundido Vermicular (d) Aço liga 4140 (Cr-Mo) (e) Aço Inox Austenítico (f) Liga Ti-6Al-4V Figura 5.1 – Exemplos de ligas metálicas para usinagem (microscopia óptica com ampliação 500x). Figura 5.2 – Classificação dos materiais conforme a norma ISO. Altas taxas de encruamento significam que mais energia é necessária para a remoção de material, levando a maiores forças e potencia de corte. Em geral, baixos valores de parâmetros cinemáticos e de profundidade devem ser usados para valores aceitáveis em termos de vida da ferramenta. Para materiais com altas taxas de encruamento, arestas de corte com geometrias afiadas são preferíveis para que se diminua a taxa de deformação, evitando-se, assim, o endurecimento. A microestrutura do material que está sendo usinado também desempenha um papel significativo no desempenho da operação de usinagem. Macroinclusões possuem tamanhos maiores que 0,15 mm. Elas são, em geral, duras e de caráter abrasivo, causando desgaste, ou mesmo avarias, à aresta de corte. Estas são mais frequentes em aços de baixa qualidade e devem ser evitadas para a maioria das aplicações. Previamente à operação de corte, o material pode ter sido laminado a quente, laminado a frio, normalizado, recozido ou temperado. 33 Por conta da longa exposição a altas temperaturas, acima da recristalização, a estrutura de um material laminado a quente é, em geral, heterogênea e grosseira. Já a laminação a frio, ou o trabalho a frio, é realizado em peças ou barras para uniformizar a microestrutura, ou mesmo provocar endurecimento quando o material e propenso ao endurecimento por deformação. O trabalho a frio, em geral, provoca aumento de dureza e redução na vida das ferramentas. Porém, pode levar à redução de rebarbas na peça e de aresta postiça de corte na ferramenta. A estrutura normalizada é aquela que passou por aquecimento na temperatura de austenização por tempo suficiente para uma completa normalização e foi resfriada até a temperatura ambiente. Isso resulta em uma estrutura mais fina e homogênea, que permite a usinagem com parâmetros de corte mais altos. A condição de material recozido é usada, na maioria das vezes, para a redução da dureza em um processo no qual as lamelas de cementita da estrutura perlítica são esferoidizadas. Isso provoca significativa redução de dureza e torna a estrutura menos abrasiva, aumentado assim a vida da ferramenta. A Figura 5.3a apresenta a microestrutura ferrítica/perlítica de um aço ABNT 1045 laminado a quente. Após o processo de recozimento de esferoidização, a microestrutura passa a ser constituída de carbonetos globulares dispersos em uma matriz ferrítica, como mostra a Figura 5.3b. (a) (b) Figura 5.3 – Microscopia óptica do aço ABNT 1045: (a) microestrutura ferrítica/perlítica; (b) microestrutura obtida após recozimento de esferoidização. O propósito do recozimento e da normalização é o de alívio de tensões, e também de melhorar a usinabilidade de materiais. As tensões internas de uma peça são causadas pelos processos de fabricação da matéria-prima (como fundição e forjamento), bem como pela usinagem. Normalmente, estas tensões estão em um estado de equilíbrio, e quando certa quantidade de material é removida, a peça sai do estado de equilíbrio e deforma. Para evitar esta deformação, estas tensões internas devem ser aliviadas. Materiais com elevada dureza e/ou tenacidade são difíceis de usinar. Para melhorar a usinabilidade, efetuam-se certos tratamentos térmicos como o recozimento e a normalização em materiais ferrosos. A têmpera consiste do aquecimento da peça um pouco acima da temperatura crítica, e o resfriamento é feito em qualquer velocidade (p.ex. mergulho da peça em água ou óleo). O processo é largamente utilizado para melhorar as propriedades mecânicas (p.ex. dureza) de um material, principalmente ferrosos. Para materiais não ferrosos, como as ligas de alumínio, a têmpera também é utilizada para melhorar a usinabilidade e aliviar tensões internas. A têmpera é comumente incluída entre o semi-acabamento e o acabamento de peças de materiais ferrosos, pois a peça após a têmpera torna-se difícil de ser usinada. Pode ser usinada (acabamento) somente por operações com ferramentas abrasivas. Algumas vezes após a têmpera é feito o revenimento, isto entre o desbaste e o semi-acabamento. Isto porque o material não possuirá uma elevada dureza depois do tratamento térmico, e neste caso poderá 34 ser usinado no estágio de semi-acabamento. Para materiais não ferrosos, a têmpera é normalmente incluída entre o desbaste e o semi-acabamento, ou mesmo antes do desbaste. Já o endurecimento superficial é aplicado a peças tratadas termicamente, que requerem uma elevada dureza superficial. Dentre estes métodos, tem-se a cementação, a nitretação e a cianetação. A integridade superficial da peça previamente à operação de usinagem também pode ser significativa para o desempenho do processo. Superfícies forjadas ou fundidas muitas vezes são inevitáveis. Porém, as superfícies forjadaspodem estar endurecidas, aumentando assim o desgaste das ferramentas – da mesma forma que a presença de resíduos de areia de fundição acelera o desgaste abrasivo. Em muitos casos, a limpeza de superfícies antes da usinagem pode melhorar o corte. Os elementos de liga em um material a ser usinado são os principais responsáveis pela melhoria das propriedades físicas e mecânicas das ligas. Os principais elementos de liga adicionados ao aço para melhorar sua usinabilidade são: enxofre (S), selênio (Se), telúrio (Te), chumbo (Pb), bismuto (Bi), estanho (Sn), fósforo (P) e nitrogênio. Tais elementos, isoladamente ou formando compostos, interrompem a matriz ferrítica, austenítica ou martensítica do aço, facilitando a quebra do cavaco, a lubrificação da ferramenta e, consequentemente, diminuindo os esforços de corte. No entanto, essas mesmas qualidades que fazem os elementos de ligas adequados a componentes mecânicos de alta responsabilidade e desempenho em serviço, tornam os mesmos difíceis de usinar, uma vez que a formação de cavacos os leva a falha por ruptura ao cisalhamento. 5.2. Geometria da Peça A seleção dos processos de usinagem é feita com base na análise da capacidade do processo de executar o formato geométrico da peça com exatidão e acabamento requeridos. Processos de usinagem diferentes podem ser usados na usinagem de uma mesma superfície. Os fatores principais a serem considerados na seleção de um processo de usinagem são a forma, o tamanho, a precisão e o acabamento superficial da superfície, além da estrutura global da peça, seu peso e material, volume de produção, condições do chão-de-fábrica, etc. Inicialmente selecionam-se os grupos de processos compatíveis com o tamanho e a forma geométrica da peça a ser usinada (axissimétrica ou prismática5) e com as possíveis características adicionais (furos, roscas, cavidades etc.). A Tabela 5.1 mostra os grupos conforme o formato superficial. Uma vez selecionado o grupo de processos de usinagem, a seleção final será feita com base no acabamento superficial e também nas tolerâncias dimensionais e geométricas requeridas. A geometria de uma peça (tamanho e forma) pode ser gerada através de processos anteriores, ou pode ser selecionada a partir da matéria-prima padrão para usinagem. Geralmente estas variáveis influenciam diretamente no processo de usinagem ou nos parâmetros que são selecionados, como por exemplo, a profundidade de corte. Não se pode esquecer jamais que as dimensões da área de trabalho da máquina-ferramenta devem ser maiores do que as maiores dimensões da peça. 5 Uma seção transversal que, ao girar em torno de um eixo, origina um sólido de revolução que corresponde a uma peça axissimétrica. Uma superfície prismática é aquela gerada por uma reta que se desloca paralelamente a si mesma acompanhando uma linha poligonal aberta ou fechada; prisma é o sólido limitado por uma superfície prismática fechada e por dois planos paralelos. 35 Tabela 5.1 – Grupos de processos de usinagem de acordo com o formato desejado da peça AXISSIMÉTRICA PRISMÁTICA CARACTERÍSTICAS ADICIONAIS Torneamento Retificação Brunimento Polimento Lapidação Fresamento Retificação Brunimento Polimento Lapidação Furação Alargamento Mandrilamento Fresamento Retificação Brochamento Roscamento Peças similares (forma, dimensão, função etc.) podem ser agrupadas em “famílias” visando organizar o Sistema de Produção. A este conceito dá-se o nome de Tecnologia de Grupo (TG). 5.2.1. Peças similares a sólidos de revolução Peças axissimétricas – similares a sólidos de revolução (eixos, engrenagens, polias, tampas) – são as que, por exemplo, podem ser submetidas às operações de desbaste e acabamento em torneamento. Os fatores que devem ser considerados na escolha entre uma peça forjada ou de barra na confecção desses elementos de máquinas (sólidos de revolução) são: o cálculo dimensional; o sobrematerial a ser removido; a disponibilidade da máquina-ferramenta. Exemplos de peças axissimétricas com relação L/D (comprimento/diâmetro) grande: eixos, pinos e varões. Exemplos com L/D pequeno: engrenagens, polias, volantes e buchas. A Figura 5.4 mostra diferentes geometrias e superfícies de peças e componentes que podem ser obtidas através de operações de torneamento. Figura 5.4 – Possíveis geometrias de peças fabricadas por torneamento. 5.2.2. Peças não similares a sólidos de revolução Peças não similares a sólidos de revolução são aquelas que, após a usinagem, apresentam superfícies prismáticas, ou seja, peças formadas por superfícies planas e/ou não axissimétricas. Exemplos de peças não similares a sólidos de revolução: carcaças, tampas e garfos. A Figura 5.5 mostra diferentes geometrias e superfícies de peças e componentes que podem ser obtidas através de operações de fresamento. 36 Figura 5.5 – Possíveis geometrias de peças fabricadas por fresamento. 5.2.3. Peças especiais As usinagens de materiais nas escalas micro e nanométrica estão sendo consideradas por muitos a chave para as futuras tecnologias. Além dos já conhecidos processos de litografia usados na fabricação de dispositivos eletrônicos, as tecnologias de micro e nanousinagem desempenham um papel importante na miniaturização das máquinas, com usos destacados em aplicações biológicas e médicas, sensores eletromecânicos, atuadores e microreatores químicos, entre outros (Fig. 5.6a). Por outro lado, a usinagem de peças muito grandes exige máquinas-ferramentas de grande porte e toda a rotina de trabalho diferenciada. Como parte desta rotina, podem-se citar as dificuldades de movimentação das peças em função da localização das faces e diâmetros a serem usinados com auxílio de operações com ponte rolante. Outro fator a ser considerado é que as peças são geralmente estruturas mecano-soldadas, necessitando de montagem posterior. A Figura 5.6b mostra um rotor de hidrelétrica fabricado a partir de um disco fundido maciço de aço inox martensítico; após a usinagem do perfil hidráulico, as meias-conchas que complementam a peça são fixadas por solda ao disco principal. (a) (b) Figura 5.6 – Tamanhos e geometrias especiais obtidas em usinagem: (a) nanousinagem; (b) rotor de hidrelétrica. 37 5.2.4. Tecnologia de Grupo Na fabricação por usinagem, milhares de itens são produzidos anualmente. Quando se observa as peças que constituem um produto, o número é excepcionalmente elevado. Cada peça possui forma, tamanho e função diferentes. Entretanto, podem-se identificar similaridades entre estas peças. Por exemplo, engrenagens de dentes retos de tamanhos diferentes sofrem os mesmos processos de fabricação. Portanto, percebe-se que peças podem ser classificadas em famílias e isso propicia uma base de dados conveniente para ser gerenciada. Pode-se dizer que a Tecnologia de Grupo (TG) é “a percepção de que muitos problemas são similares, e que agrupando problemas similares, uma solução única pode ser encontrada para um conjunto de problemas, poupando-se assim tempo e esforço”. TG pode ser aplicada em áreas diferentes, tais como: projeto, planejamento da produção, planejamento do processo, escalonamento, inspeção, armazenamento, etc. No projeto de peças, inúmeras peças podem possuir uma forma similar (Fig. 5.7), e estas peças podem ser agrupadas numa família de projeto. Usando este conceito, pode-se identificar “peças compostas”, que englobam todas as “features” de projeto de uma família de projeto. Exemplo de peças compostas é dado na Figura 5.8. Figura 5.7 – Família de projeto. Figura 5.8 – Peças compostas. 38 Com relação à fabricação, peças
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