Temperatura no processo de Usinagem

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PONTIFICIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
Processos de fabricação 
Tecnologia da USINAGEM
Belo Horizonte
Temperatura no Processo de Usinagem
▪ A potência consumida na usinagem, em grande parte, é 
consumida em calor próximo à aresta de corte da ferramenta e 
muitos problemas técnicos e econômicos tem origem devido ao 
aquecimento.
▪ O conhecimento de quais fatores influenciam a geração de calor, 
bem como, qual é o fluxo de calor entre a peça, cavaco e 
ferramenta é de grande importância.
▪ Grande parte do calor gerado é dissipada pelo cavaco, uma 
pequena porcentagem é dissipada pela peça e uma outra para o 
meio ambiente. O restante vai para a ferramenta de corte.
Temperatura no Processo de Usinagem
▪ A maior parte da potência / energia consumida no processo de 
usinagem dos metais é convertida em calor na interface cavaco-
ferramenta.
▪ O calor é gerado nas zonas de cisalhamento e conduzido para a 
peça, para o cavaco e para a ferramenta.
Temperatura no Processo de Usinagem
▪ As consequências da elevação da temperatura no processo podem ser 
positivas ou negativas.
▪ A avaliação positiva refere-se quando a elevação da temperatura atua 
na redução da tensão de cisalhamento do material e dessa forma 
facilita o corte do mesmo.
▪ Quanto aos pontos negativos podemos citar:
✓ Redução da vida útil da ferramenta devido ao desgaste prematuro;
✓ Parada de máquina para substituição de ferramenta;
✓ Influências metalúrgicas na peça e ferramenta;
✓ Redução de parâmetros de corte;
Temperatura no Processo de Usinagem
▪ Apesar de a parcela do calor que é transmitida à ferramenta representar 
apenas 8 a 10% do total, ela é responsável pela elevação da temperatura, 
que pode chegar a 1100° C, o que compromete fortemente a resistência 
da ferramenta.
Temperatura no Processo de Usinagem
▪ Pode-se modelar o balanceamento de energia com 
a seguinte relação:
Qz + Qa1 + Qa2 = Qc + Qp + Qma + Qf
✓ Qz = calor gerado na zona de cisalhamento primário.
✓ Qa1 = calor gerado na zona de cisalhamento secundário.
✓ Qa2 = calor gerado na zona de interface peça-superfície
de folga da ferramenta.
✓ Qc = calor dissipado pelo cavaco.
✓ Qp = calor dissipado pela peça.
✓ Qma = calor dissipado pelo meio ambiente.
✓ Qf = calor dissipado pela ferramenta de corte.
Temperatura no Processo de Usinagem
▪ Pode-se constatar experimentalmente que mais de 90% de todo 
o trabalho mecânico se converte em calor. 
▪ Logo temos a seguinte relação:
𝑄 =
𝐹𝑐∗𝑉𝑐
60
[W]
Onde:
Q = quantidade de calor gerada [W];
Fc = Componente principal da Força de Corte [N];
Vc = Velocidade de Corte [m/min];
Temperatura no Processo de Usinagem
Calor Gerado na Zona de Cisalhamento Primária:
▪ A maior parte do calor gerado na zona de cisalhamento primário é 
dissipada pelo cavaco, mas uma pequena fração, é transmitida para a 
peça por condução, o que aumenta a sua temperatura, podendo às 
vezes causar problemas de precisão dimensional.
Temperatura no Processo de Usinagem
Calor Gerado na Zona de Cisalhamento Secundária:
▪ Essa é a fonte de calor que mais influencia as temperaturas de corte.
▪ A temperatura da ferramenta na usinagem de materiais macios e de baixo 
ponto de fusão, como o alumínio e o magnésio não representam grande 
problema para o processo em si.
▪ Em se tratando de materiais duros e de alto ponto de fusão a temperatura 
da ferramenta se torna o fator controlador da taxa de remoção de material, 
materiais tais como ferros fundidos, aços, ligas de níquel e ligas de titânio.
Temperatura no Processo de Usinagem
Calor Gerado na Zona de Cisalhamento Secundária:
▪ As temperaturas podem chegar a mais de 1100° C e as ferramentas devem 
suportar essa condição.
Temperatura no Processo de Usinagem
Calor Gerado na Zona de Cisalhamento Terciária:
▪ Se a usinagem ocorrer com ângulos de folga pequenos (𝛼𝑜< 1°) ou se o 
desgaste de flanco (VB, medido na superfície de folga da ferramenta) atingir 
proporções consideráveis, a interface peça-superfície de folga da ferramenta se 
torna a terceira fonte importante de geração de calor.
Temperatura no Processo de Usinagem
Medições da Temperatura de Usinagem: Estimativas Experimentais
Várias técnicas para avaliar o aumento da temperatura nas zonas de corte
foram desenvolvidas e a maioria delas é empregada em medir a temperatura
da ferramenta.
Os métodos mais utilizados são:
▪ Método calorimétrico;
▪ Medição direta por inserção de termopares na
ferramenta de corte;
▪ Medição da força termoelétrica entre a ferramenta e
a peça (método termopar ferramenta-peça);
▪ Medição indireta por meio de vernizes térmicos;
▪ Medição por técnicas metalográficas ;
▪ Medição por radiação de calor na faixa do espectro
infravermelho;
▪ Medição utilizando Pós de sais químicos;
▪ Deposição de filmes PVD;
▪ Medição por FEM;
Temperatura no Processo de Usinagem
Método Calorimétrico:
▪ Este método é utilizado para medir a temperatura média do
cavaco utilizando-se um calorímetro de água.
▪ Para isto mede-se a massa e temperatura inicial da água, usina-
se a peça e os cavacos caem no reservatório com temperatura
conhecida.
▪ Mede-se a temperatura atingida pela água depois de
determinado tempo, pesa-se o cavaco após secagem e através de
equações calorimétricas determina-se a temperatura média do
cavaco no instante em que atingiu a água.
Temperatura no Processo de Usinagem
Método por Técnicas Metalográficas:
▪ O método consiste em submeter as ferramentas a testes de usinagem
e em seguida a uma análise metalográfica com o objetivo de relacionar
alterações da microestrutura do material com a temperatura
necessária para que ocorram as transformações observadas.
Aplicável ao 
HSS
Temperatura no Processo de Usinagem
Método por Termopares inseridos na ferramenta:
▪ Por meio deste método pode-se realizar a medição da
temperatura em qualquer ponto da ferramenta. O procedimento
consiste na realização de pequenos furos na ferramenta com
diâmetros de dimensões mínimas, de modo a não comprometer
a resistência da ferramenta, através dos quais são inseridos
termopares.
Temperatura no Processo de Usinagem
Método por Termopares ferramenta-peça:
▪ É a técnica de maior proximidade entre a real temperatura da interface,
entretanto a sua calibração é um fator que o torna difícil.
Temperatura no Processo de Usinagem
Método por Radiação Térmica:
▪ Este método consiste em medir a radiação térmica emitida por uma pequena área do cavaco
ou da ponta da ferramenta. Fazendo-se com que esta radiação, através de um sistema de
lentes, seja focada em um sensor que possa identificar a qual temperatura deveria estar o
corpo com aquela composição para irradiar tal energia.
Temperatura no Processo de Usinagem
Método por vernizes termosensíveis:
▪ Este método consiste na utilização de vernizes com capacidade de
mudar de cor a determinadas temperaturas, ou em decorrências de
reações químicas iniciadas pela temperatura. São aplicáveis apenas
em superfícies expostas.
Temperatura no Processo de Usinagem
Método utilizando pós de sais químicos:
Esta técnica permite visualizar a distribuição de temperaturas em uma seção da
ferramenta de corte, por meio da deposição de sais com ponto de fusão
conhecidos, como o NaCl, KCl, CdCl, PbCl2, AgCl e KNO3. A ferramenta de corte é
dividida ao meio segundo um plano perpendicular ao plano de referência e à
aresta principal de corte.
Temperatura no Processo de Usinagem
Método utilizando deposição de filmes PVD:
▪ Este método é possui muitas semelhanças com método que utiliza a deposição de sais,
descrito na seção anterior.
▪ A diferença é que em vez de sais são depositados filmes de materiais puros pelo
processo de deposição física (PVD).
▪ Esse procedimento torna a medição mais complexa, porém os filmes possuem
topografia mais suave que os sais, o que faz com que a área real de contato entre as
metades da ferramenta seja maior e, com isso, exercer menor influência na distribuição
de temperatura.
Temperatura noProcesso de Usinagem
Método Numérico utilizando elementos finitos:
▪ Busca-se uma analogia entre os métodos experimentais e os simulados.
▪ O que se faz é buscar um maior refinamento das malhas nas regiões mais
próximas da interface cavaco – ferramenta.
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